组成细胞的化学元素和无机化合物

组成细胞的化学元素和无机化合物

撰稿教师：李文强责编：陈莉

章节概述

本节介绍了组成细胞的化学元素和化合物的种类、含量及其生理功能，以此说明生命的物质性，展示了各种物质之间的相互关系，如大量元素与微量元素、生物界与非生物界、自由水和结合水等等。高考对本节的考查方式有选择题和简答题两种形式，主要以选择题的形式考查水和无机盐的基础知识，有时也会渗透到实验题中去，以加强对实验技能的考查。近年来注重理论联系实际，比如元素和动植物生命活动的关系、细胞中自由水和结合水的比例与种子的贮存、植物的抗性生理、无机盐离子与动物生命活动的调节等等，考查相关知识的理解与运用，提高应用相关知识分析和解决问题的能力。

教学目标

1.简述组成细胞的主要元素。说出构成细胞的基本元素是碳。

2.认同生命的物质性。

重点：

组成细胞的主要元素和化合物。

难点：

构成细胞的基本元素是碳。

重点知识讲解

组成生物体的化学元素的种类及生理作用

生物界与非生物界的统一性和差异性

组成生物体的元素种类与含量

组成生物体的化学元素常见的主要有20多种。其组成、分类及含量如下所示：

最基本元素：C

基本元素：CHON

主要元素：CHONSP

大量元素：CHONSPKCaMg

微量元素：FeMnCuMoZnB

其关系如下图表示：

主要元素：指含量占生物体总量97％以上的元素。

大量元素：含量占生物体总重量万分之一以上的元素．C、H、O、N、S、P、Ca、Mg、K，可用如下方法记忆：C、H、O(CO2和H2O)；N、P、K三种肥料；Mg、Ca、S可用一句话：美好的东西应该留住。

微量元素：含量比较少，但又是生物体生命活动所必需的元素．Fe、Mn、Zn、Mo、Cu，可以利用谐音“铁猛碰新木桶”来记忆。

重要性：无论是大量元素还是微量元素，都是生物体必需的元素，对于维持生物体的生命活动起着非常重要的作用。如P是组成ATP,膜结构等的重要成分；Ca,P是组成骨骼、牙齿的成分；Mg是叶绿素的成分；Fe是血红蛋白的成分。组成人体细胞占鲜重最多的元素是氧，组成人体细胞占干重最多的元素是C。

不同生物体内所含的化学元素的种类基本相同，但在不同生物体内同种元素的含量差别较大；同一生物体内的不同元素的含量也不相同。大量元素和微量元素的划分是依据生物界中生物的整体情况，具体到某一种生物可能有差别。如Cl在植物体内是微量元素，但在人体内却是大量元素。组成生物体的化学元素中，常见20种是指必需元素，生物体内可能含一些非必需元素，如人体可能含Na。

化学元素的生理功能（举例）：

N是各种酶、叶绿素,ATP和NADP+的组成元素，可促进细胞分裂和生长，使叶面积增大，从而增大光合作用面积，能延长叶片寿命，可延长光合作用时间。人体获取氮素主要以氨基酸形式摄取，蛋白质在人体内不能储存，必须每天摄取一定量蛋白质

P是叶绿体双层膜和基粒的组成元素，是ATP、叶绿体、DNA的组成元素，在光合作用的物质转化中起重要作用。Ca、P都是牙齿、骨骼的重要成分。

K可使植物抗倒伏，保持挺拔状态，接受充足光照，促进光合作用中糖类的合成、运输，可维持细胞内液的渗透压，维持心肌舒张，保持心肌正常兴奋性

S是甲硫氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸的组成成分，因此也是蛋白质的组成成分。

Ca在细胞原生质中一般以磷酸盐和碳酸盐的形式存在，对保持原生质胶体的稳定性和调节膜的通透性是不可缺少的。动物血液和组织液中的钙离子，对血的凝固和肌肉的收缩有调节作用。

Mg是叶绿素的组成成分，是一切绿色植物光合作用不可缺少的。

Fe是细胞色素（线粒体内一种与有氧呼吸有关的蛋白质）；血红蛋白和许多含铁酶类的成分，与氧气的运输以及许多物质代谢有关。植物缺铁，叶绿素形成受阻，会引起黄化病。

对于各种元素，不能用含量的多少来衡量其重要或不重要，微量元素B(硼）能促进花粉的萌发和花粉管的伸长。Fe2+是血红蛋白的成分。Zn2+有助于人体细胞的分裂，促进生长发育、大脑发育和性成熟。I是合成甲状腺激素的元素。

无机盐生理功能

无机盐是细胞的结构成分，有些无机盐是细胞内某些复杂的化合物的重要组成部分，如Mg2+是叶绿素分子必需的成分；Fe2+是血红蛋白的主要成分；碳酸钙是动物和人体的骨、牙齿中的重要成分；P043-是生物膜的主要成分磷脂的组成成分，也是ATP,NADPH的主要组成成分。参与并维持生物体的代谢活动：如哺乳动物血液中必须含有一定量的Ca2+，如果某个动物血液中钙盐的含量过低就会出现抽搐。

维持生物体内的平衡：体内平衡是细胞能有稳定的结构和功能，生物能维持正常的代谢和生理活动的必要条件。有关体内平衡的内容很复杂，情况多变。其中三个主要方面与无机盐含量的稳定有密切关系：

①渗透压的平衡Na+,Cl一对细胞外液渗透压起重要作用,K＋则对细胞内液渗透压起决定作用。

②酸碱平衡（即pH平衡），pH调节着细胞的一切生命活动，它的改变影响着原生质体组成物质的所有特性以及在细胞内发生的一切反应：如人血浆中HCO3-,HP04-等。

③离子平衡：动物细胞内外Na+/K+/Ca2+的比例是相对稳定的。细胞膜外Na+高、K+低，细胞膜内K+高、Na+低。K+、Na+这两种离子在细胞膜内外分布的浓度差，是使细胞可以保持反应性能的重要条件。

经典例题透析

1．已知Mn2+是许多酶的活化剂，加Mn2+能使硝酸还原酶激活，缺乏Mn2+植物就无法利用硝酸盐，这说明无机盐离子（）

A.对维持生物体的生命活动有重要作用

B.对维持细胞形态有重要作用

C.对维持酸碱平衡有重要作用

D.对维持和调节细胞内的渗透压有重要作用

考点定位：本题考查类似于例题6中无机盐的作用。

指点迷津：注意本题中提到的情景和关键词，“缺乏Mn2+植物就无法利用硝酸盐”，也就是说植物的代谢就会出现障碍，没有无机盐在细胞形态上的影响，也没有提到对渗透压的影响，酸碱平衡就无从谈起了，具题意Mn2+是许多酶的激活剂，缺Mn2+酶不能正常发挥其功能，所催化的生化反应停止，生命活动受到影响，所以无机盐对维持生物体生命活动有重要作用。

参考答案：A

2．下列植物细胞中结合水的相对含量最大的是（）

A．休眠的蚕豆子叶细胞

B．玉米的胚乳细胞

C．洋葱根尖分生区的细胞

D．成熟柑橘的果肉细胞

考点定位本题考查生物体内结合水和自由水的相互关系。

解题分析结合水是水与细胞内的其他物质相结合形成的，能与水结合的主要是一些亲水性物质。结合水是细胞结构的主要组成成分，大约占细胞内全部水分的4.5％。由此可见，结合水在细胞内的含量是较少的。题目中提供的四个选项中，蚕豆由于处于休眠状态，其细胞内的自由水大量散失，因此结合水的相对含量就增加了。而其他结构的细胞都是处于正常状态的活细胞，其细胞内自由水的含量都远高于休眠细胞中的含量，而结合水的相对含量就比较低了。本题正确答案是A。

失分陷阱错选B，误以为胚乳细胞中淀粉含量高，亲水性强形成的结合水多。实际上，正常状态下的活细胞中结合水的含量都大致相同。错选C，误以为分生区细胞内没有大液泡，自由水含量少，结合水含量多，不是只有液泡内才含有自由水。

3．种子萌发的需氧量与种子所贮藏有机物的元素组成和元素比例有关，在相同条件下，消耗同质量的有机物，油料作物种子(如花生)萌发时需氧量比含淀粉多的种子(如水稻)萌发时的需氧量（）

A．少B．多C．相等D．无规律

考点分析本题综合性强，主要考查了种子的成分、脂肪和淀粉的元素组成和元素比例、种子萌发与呼吸作用的关系，同时考查推理能力。

指点迷津首先要弄清楚O2的作用是与细胞呼吸过程中产生的H结合生成H2O，并释放出大量能量，为生命活动提供能量。其次要知道油料作物种子含脂肪较多，水稻等谷类种子含淀粉多，因此答题关键是计算氢碳比，脂肪分子的分子式为C57H110O6，氢碳比(H/C)为1.93。淀粉的分子式为(C6Hl0O5)n，氢碳比(H/C)为1.67。脂肪分子的H/C的值比淀粉分子的H/C的值大。有氧呼吸时，O2的作用是与H结合生成H2O，因此，消耗同质量的有机物，H/C的值大的物质需氧量大。种子萌发时，呼吸作用(主要是有氧呼吸)增强。因此，相比之下，脂肪彻底氧化分解时，产水多，需氧多，可以放出更多的能量。油料作物种子（如花生）萌发时需氧量比含淀粉多的种子（如水稻）萌发时的需氧量多。因此，本题正确答案是B。

失分陷阱本题的知识综合得比较紧密，关系复杂，条件隐蔽，难度较大。失分原因主要在审题时对于题干中给出的信息挖掘不够，没有把种子萌发的“需氧量”与已知的细胞呼吸内容联系起来，没有把两种种子所贮藏葡萄糖和脂肪的元素组成和元素比例进行比较。

4．关于生物体中的水，下列叙述不正确的是（）

A.不同物种，含水量不同

B.同一物种，同一年龄的不同个体，含水量大致相同

C.同一个体的不同器官，含水量不同

D.同一器官的不同组织，含水量一定相同

考点定位：本题考查水在生物体内含量的多少对生物本身的作用等。

指点迷津：水在细胞鲜重中含量是最多的，在不同种类的生物体中，水的含量差别较大，在同一生物的不同组织、器官中，水的含量也不相同。这与生物的生理特点和环境特点有着密切关系。总之，不同物种，含水量不同；同一物种，同一年龄的不同个体，含水量大致相同；同一个体的不同组织、器官，含水量不同。

参考答案：D

5．对于生物体内自由水的叙述不正确的是（）

A.生物体代谢旺盛时含量最丰富的物质

B.不发生化学反应

C.生物体各种反应的介质

D.植物越冬时，自由水含量降低

考点定位：本题考查自由水对生物新陈代谢的作用。

指点迷津：自由水是可以参与代谢的以游离形式存在的水，代谢旺盛时含量多，可以作为各种反应的介质，还可作为水解反应、光合作用及呼吸作用的反应物。夏季，植物体内温度较高，代谢异常旺盛，自由水含量也很高，但是随着温度的降低，进入冬季，代谢缓慢，自由水含量迅速下降，部分自由水转化为结合水使自由水含量降低，防止严寒环境下发生结冰，抗寒能力增强，以适应寒冷的冬季。

参考答案：B

6．人的红细胞必须生活在含有0.9%的氯化钠溶液中，若将红细胞置于浓盐水中，红细胞则会失水皱缩，从而丧失输送氧气的功能。这些事实说明（）

A.无机盐对维持生物体的新陈代谢有重要作用

B.无机盐对维持细胞的形态和功能有重要作用

C.无机盐离子容易进出细胞

D.水分子容易进出细胞

考点定位：本题考查无机盐离子的特点及对人体的生理作用。

指点迷津：人体内的红细胞生活在血浆中，血浆的无机盐浓度为0.9%，红细胞在此环境中能维持渗透压平衡，细胞吸水和失水保持平衡。若将红细胞放入浓盐水中，红细胞会失水