细胞中的原子和分子

《细胞的化学组成》这一章包括《细胞中的原子和分子》和《细胞中的生物大分子》两部分内容，另外还在文中穿插了几个实验。《细胞中的原子和分子》是新加内容，须格外注意，因为它有可能成为出题的重点。《细胞中的生物大分子》是本章的核心内容。是学习的重点和高考的重要考点。这两节的内容存在着必然的联系。原子―→分子―→化合物―→生物体。不仅如此，通过本章学习掌握生命活动的物质基础，为下一步相关内容打好基础。本章内容在高考中的重点是考查组成生物体的化合物，特别是考查蛋白质、核酸的组成及其作用，对本章知识多数是联系后面的知识以选择题的形式进行综合考查。另外，组成生物体的化学元素和生物组织中的还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定实验也是高考命题的重要内容。生物问题的有关计算也是近几年高考的重点之一，本章中涉及组成蛋白质的氨基酸种类、数目、排列方式，联系后面知识考查。如DNA的多样性及碱基互补配对原则的计算问题，DNA控制蛋白质合成过程中相关数据的计算问题。本章知识在单科试卷的考查中经常涉及，在理科综合的试卷中考查的较少。1．注意联系初中生物课学习的植物对水分和无机盐的吸收利用，人体对食物的消化、吸收和利用等有关知识；联系自己已有的生活常识；联系所了解的农业生产上浇水、施肥的实际等来学习本章知识。2．用表解法整理、比较组成生物体的无机化合物的元素组成、种类、含量、形式和重要功能；整理、比较组成生物体的有机化合物的元素组成、相对分子量、基本组成单位和主要功能。3．比较DNA和RNA两类核酸在组成上和功能上的区别和联系。4．在教师的指导下，认真完成生物组织中还原性糖、蛋白质的鉴定实验及脂肪的探究实验。1．知识(1)举例说出组成细胞的原子和分子。(2)描述共价键、离子键和氢键等化学键的形成和作用。(3)举例说出细胞中无机化合物的功能。2．能力(1)培养学生的识图能力和分析问题的能力。(2)通过对水的氢键和组成的学习，培养对结构和功能关系的理解能力。3．情感态度与价值观(1)培养生命是物质的辩证唯物主义的观念，以及生物界和非生物界的统一性和差异性的观念。(2)通过对水和无机盐功能的了解，形成保护环境、珍惜水资源等的意识。一、组成细胞的原子和分子组成细胞的化学元素，在①中都能够找到，没有一种化学元素为细胞所特有。但是，细胞与非生物相比，各种元素的含量又②。无论是鲜重还是干重，组成细胞的元素中③等元素占全部元素的98%。原子是物质的基本单元，由④和⑤构成，原子核中⑥和⑦之和称为原子的质量数。原子核外围绕有电子，电子带负电荷，质子带正电荷，一个正常的原子中，核内⑧__与核外⑨相等，从整体上看原子是呈⑩的。分子是保持物质化学性质的一种微粒，除⑪和⑫等以单原子状态存在以外，分子一般由两个或两个以上的原子构成。二、细胞中的无机分子细胞中的无机化合物包括⑬和⑭。在活细胞中，水约占细胞总质量的⑮，无机盐约占细胞总质量的⑯。水分子存在状态有⑰和⑱两种形式，功能分别是⑲和⑳无机盐在细胞内的含量很少，大多数无机盐的存在形式是____。构成叶绿素分子的重要成分是____，构成血红蛋白分子的重要成分是____。若哺乳动物的血液中缺____盐，就会出现抽搐现象。参考答案：①无机自然界②各不相同③C、H、O、N、P、Ca④原子核⑤外围电子⑥质子数⑦中子数⑧质子数⑨电子数⑩电中性⑪稀有气体⑫单质金属⑬水分子⑭无机盐⑮60%～90%

⑯1.5%

⑰自由水⑱结合水⑲良好的溶剂⑳细胞结构的重要成分离子Mg2＋

Fe2＋钙一、生物体的元素组成(1)生活在地球上的生物，其物质构成都来自无机自然界中天然存在的元素。没有一种化学元素是生物界所特有的。(2)组成生物体的化学元素大体相同，在生物体的元素构成中，C、H、O、N、P、Ca等6种元素占全部元素的98%。(3)不同生物体内各种化学元素的含量相差很大。特别提示：根据组成生物体的化学元素在生物体内含量的不同，将元素分成两大类：大量元素：含量占生物体总重量的万分之一以上的元素，如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等；微量元素：生物体生活所必需，但是需要量却很少的一些元素，如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。讨论一组成细胞的化学元素中，有些元素的含量很少，作用却很大。细胞中某些微量元素，如Fe、Mg、Cu、Zn、Mo等和人体健康有哪些密切关系？讨论结果①人体缺Fe时，易患缺Fe性贫血。患者表现出面色苍白、头晕、精神不振、疲劳等症状。②缺镁会导致横纹肌、平滑肌的代谢障碍，产生周身酸痛乏力、胃肠蠕动减弱，引起食欲减退和腹胀。缺镁还会使大脑皮层神经冲动的产生和传递异常，导致皮层下植物性神经中枢功能平衡失调，产生所谓的“植物性神经功能紊乱”。缺镁可使冠心病人易发生严重的心律失常等现象。③缺了铜，造血机能就会受到影响，也会造成贫血现象，这就是缺铜性贫血。另外，缺铜会造成骨骼变脆、心血管功能紊乱、皮下出血等症状。④人体缺Zn时，表现出伤口愈合慢、味觉减退、阻碍生长等症状。⑤缺钼可引起某些酶活性下降，导致儿童、青少年生长发育不良，龋齿的发生率显著提高。原子是怎样形成分子的？(1)原子之间通过化学键形成分子①共价键：原子之间通过共用电子对形成的化学键叫做共价键。举例：如一个水分子中，氢原子和氧原子之间形成的化学键。②离子键：一个原子将电子给另一个原子，二者之间靠正负离子的静电作用而形成的化学键叫做离子键。举例：如一个氯化钠分子中，钠原子将电子给予了氯原子而形成的化学键。③氢键：当氢原子与氧原子或氮原子以共价键结合时，氢原子呈现部分正电性，这种氢原子往往与其他带有部分负电性的氧原子或氮原子间相互吸引而形成氢键。氢键属于一种弱键，在决定大分子的三维结构上起着重要作用，是生命系统中十分重要的化学键。举例：如两个水分子之间，一个水分子的氢原子(呈现部分正电性)与另一个水分子的氧原子(带有部分负电性)之间相互吸引形成的化学键。【例1】下面关于原子和分子的叙述，不正确的是(

)A．在一个正常的原子中，核内质子数与核外电子数相等，因此，从整体上看原子是呈电中性的。B．主要取决于原子中最外层电子的数量。只有在价电子层内存在电子空缺时，这个原子才是活跃的。C．原子之间通过共用电子对形成的化学键叫做共价键。D．两个水分子之间，一个水分子的氢原子(呈现部分正电性)与另一个水分子的氧原子(带有部分负电性)之间相互吸引形成的化学键叫做离子键解析：两个水分子之间，一个水分子的氢原子(呈现部分正电性)与另一个水分子的氧原子(带有部分负电性)之间相互吸引形成的化学键，叫做氢键。一个原子将电子给予另一个原子，二者之间靠正负离子的静电作用而形成的化学键才叫做离子键。答案：D变式迁移

1下列叙述正确的是 (

)A．水分子中的H和O原子不是通过共价键形成的B．非金属原子间不可能形成离子键C．离子化合物中可能有共价键D．共价化合物中可能有离子键解析：水分子中的H和O原子都是通过共价键形成的。非金属原子间也可能形成离子键，因为它们之间也可能有电子的得失形成离子键。共价化合物中不可能有离子键，如果出现离子键，就是离子化合物。离子化合物中可能有共价键，如离子化合物Na2SO4中，S和O原子之间是共价键。答案：C1．水分子的化学键(1)水分子内部有两个共价键，位于氢氧原子之间，且不对称排列(呈V字形)，是极性分子。(2)水分子之间可以形成氢键。2．含量：细胞中含量最多的化合物(1)不同种类的生物体中水的含量差别较大：如水生生物>陆生生物。(2)同一生物体的不同组织、器官中含水量差别很大：如血液>牙齿。(3)同一生物体在不同生长发育期含水量差别较大，如人：幼儿期>成年期>老年期。3.自由水和结合水的关系(1)自由水和结合水可以相互转化。(2)自由水与结合水的比值越大，代谢越旺盛，但抗逆性越差；比值越小，代谢越缓慢，抗逆性越强。特别提醒：①一般情况下，代谢旺盛时，生物体内含水量较高。若含水量降低，生命活动不旺盛或进入休眠状态。②当自由水比例增加时，生物体代谢旺盛，生长迅速。例如，干种子内所含的主要是结合水，干种子只有吸足水分——获得大量自由水，才能进行旺盛的生命活动。【例2】下列关于水的叙述中，错误的是 (

)A．生物细胞内含量最多的物质是水B．生物细胞内能产生水的细胞器是线粒体、叶绿体、中心体、核糖体C．自由水是细胞内良好的溶剂D．结合水是细胞结构的重要组成成分解析：在活细胞中，含量最多的化合物是水；能产生水的器官为线粒体、叶绿体和核糖体，中心体只能在细胞有丝分裂或减数分裂时形成星射线构成纺锤体，并无水产生。答案：B变式迁移

2

生物体没有水就不能生存的根本原因是(

)A．水在细胞中以两种形式存在B．大部分水在细胞里可以自由流动C．细胞内的化学反应有水才能进行D．水在不同生物细胞内含量不同解析：细胞内的化学反应都是在水中进行的。水是化学反应的媒介，甚至参与了某些化学反应。答案：C1．是细胞内某些化合物的重要组成部分，如：无机盐生理功能Mg2＋叶绿素必需的原料Fe2＋血红蛋白的主要成分PO合成核苷酸的原料Zn2＋人体内100多种酶的重要组成成分CaCO3动物和人体骨骼、牙齿中的重要成分2．维持生物体的生命活动，如：无机盐生理功能K＋维持细胞内液的渗透压Na＋维持细胞外液的渗透压Ca2＋哺乳动物血液中钙盐含量太低，会出现抽搐Mn2＋某些酶的活化因子各种离子维持细胞和生物体内的酸碱平衡【例3】英国医生塞达尼·任格在对离体蛙的心脏进行的实验中发现，用不含钙的生理盐水灌注蛙的心脏，收缩不能维持；用含有少量钙和钾的钠盐溶液灌注时，蛙的心脏可持续跳动数小时。该实验说明，钙盐 (

)A．是细胞中某些复杂化合物的重要组成部分B．对维持生物体的生命活动有重要作用C．对维持细胞的形态有重要作用D．为蛙心的持续跳动提供能量解析：无机盐的生理功能包括：某些化合物的重要组成部分，维持酸碱平衡和生物体正常的生命活动。从题干信息可以看出：钙盐与维持蛙的心脏收缩有关，即对维持生物体的生命活动有重要作用。答案：B变式迁移

3

体液中Ca2＋含量太低时，神经肌肉的兴奋性升高而出现抽搐，这一事实说明Ca2＋的生理功能之一是 (

)A．构成细胞结构的成分之一B．维护细胞的正常形态C．维持细胞的正常生理功能D．调节渗透压和酸碱平衡解析：神经肌肉的兴奋性，需要体液中各种无机盐离子维持一定的比例。当Na＋、K＋浓度升高时，神经肌肉细胞兴奋性增高，而当Ca2＋、Mg2＋、H＋浓度增高时，兴奋性降低，当血液Ca2＋浓度过低时，兴奋性增高，手足抽搐。这一事实说明离子对维持细胞的正常生理功能有重要作用。答案：C结合水和自由水细胞内与大分子物质结合而不能参与细胞内化学反应的水分子叫结合水。结合水约占细胞含水量的4.5%左右。原生质的化学成分主要是由蛋白质组成的。蛋白质是大分子物质，其水溶液具有胶体的性质，因此，原生质也是一个胶体系统。蛋白质分子形成空间结构时，疏水基(烷烃基、苯基)包在分子内部，而许多亲水基(如—NH2、—COOH、—OH等)则暴露在分子表面。这些亲水基表现出对水有很大的亲和力，容易起水合作用。所以原生质体微粒具有明显的亲水性，在其表面吸引着很多水分子，形成一层水膜。这些被吸附束缚不易自由流动的水分，即是结合水。热带植物的抗热，寒带植物的抗寒，均与植物细胞中结合水沸点高、冰点低的特性有关。人和动物的年龄愈大，细胞中的结合水愈少。生物体内大部分水以游离形式存在，可以自由参与细胞内化学反应的水分子叫做自由水。自由水是细胞内良好的溶剂，许多物质都溶解在水中。水溶液在生物体内流动，可以把营养物质运送到各个细胞。同时，也把细胞代谢中产生的废物运送到排泄器官，或直接排出体外。细胞内自由水和结合水的数量与生物的代谢和抗逆性有关系。一般自由水占含水量百分比越大，则代谢越旺盛，但抗逆性则弱些；反之，结合水的比例大，则代谢缓慢些，但是抗逆性往往强些。【例4】当生物体新陈代谢旺盛，生长迅速时，生物体内 (

)A．结合水、自由水的比值与此无关B．结合水、自由水的比值会升高C．结合水、自由水的比值会降低D．结合水、自由水的比值会不变解析：本题要解决的是结合水与自由水的作用。在正确了解它们的功能后，即可选出正确的答案。本题将常见的水的功能作了一种数学处理，这也是能力考查的一种方式。自由水占细胞鲜重绝大部分，是细胞的良好溶剂，有利于运输，有利于生物化学反应，所以生命活动旺盛的细胞，自由水的含量就高，自由水/结合水比值就大。而像干种子的细胞内所含的主要是结合水。干种子只有吸足水分，获得大量的自由水，才能进行旺盛的生命活动——萌发。抗旱性强的植物细胞内的结合水含量一般较高。答案：C变式迁移

4

现有含水量(1)10%、(2)12%、(3)14%、(4)16%的小麦，分别储存于条件相同的四个粮仓中。在储存过程中，有机物损耗最少的是 (

)A．(1)

B．(2)C．(3) D．(4)解析：细胞内的许多化学反应必须有水参加，水的含量越多，新陈代谢越旺盛，有机物损耗就越多；反之，就越少。答案：A易错点：关于自由水和结合水的区分及它们的作用。思维突破：(1)自由水是填充在有机固体颗粒之间的水分，可流动，易蒸发，是可以参与物质代谢过程的水。如刚收获的鲜小麦在阳光下晒一会儿，大量的自由水很快散失到空气中，这样的种子仍有生命活性(当条件适宜时，它将萌发成幼苗)。

结合水是吸附和结合在有机固体物质上的水，主要是依靠氢键与蛋白质的极性基(羧基和氨基)相结合形成的水胶体。多糖、磷脂也以亲水胶体形式存在。这部分水不蒸发，失去了流动性和溶解性，是生物体的构成物。结合水必须获得更多的能量脱离某些化合物的结合变成自由水，然后再散发到空气中。失去结合水的细胞不再具有生命活性。将晒干的种子放在一洁净的试管中加热，试管壁上出现的水滴主要就是结合水。失去结合水的种子将不再萌发。自由水和结合水可以相互转化。生物体的一切生命活动都离不开水，水是细胞内含量最多的物质，不同生物、同一生物的不同组织或器官内含水量不同，不同细胞中自由水和结合水的比例也是不同的。通常水生生物和代谢活动旺盛的组织或器官的含水量高一些，代谢旺盛的细胞自由水的比例更高些。(2)生物体内自由水和结合水相对含量与生物的代谢能力密切相关，代谢旺盛的细胞自由水高一些。另外，自由水和结合水相对含量也决定器官和组织的形态。例如心肌含水79%，呈坚韧的状态。血液含水82%，呈流动的液态。【例】下列对细胞内自由水的叙述，错误的是(

)A．约占细胞内水分的95.5%B．与蛋白质等物质相结合C．能够流动和易于挥发D．在细胞中起溶剂作用解析：结合水在细胞内与其他化合物结合，含量比较稳定，约占细胞内水分的4.5%，是构成细胞的成分，不易散失；自由水以游离的形式存在于细胞中，在细胞中自由流动，溶解、运输细胞中的各种物质，其含量变化较大。答案：B误区分析：结合水是细胞结构的重要组成部分，大约占细胞内全部水分的4.5%，自由水是细胞内良好的溶剂，许多种物质溶解在这部分水中，细胞内的许多生物化学反应都需要水的参与。1．组成人体细胞的主要元素是 (

)A．C、H、O、N、Ca、PB．H、O、K、S、P、MgC．C、P、O、S、H、ND．N、P、K、Ca、S、Zn答案：C2．对细胞内自由水的下列描述中，有科学性错误的是(

)A．约占细胞内全部水分的95.5%B．与蛋白质等物质相结合C．能够流动和易于蒸发D．代谢反应的介质或参与反应解析：在细胞内与亲水性基团结合的水是结合水，不与亲水性基团结合的水是自由水。答案：B3．一头牛突然发生抽搐，兽医必须对症下药，因此，需注射一定量的 (

)A．生理盐水 B．葡萄糖液C．葡萄糖酸钙 D．淀粉和蔗糖解析：许多无机盐离子对于维持生物体的生命活动有重要作用，例如：哺乳动物血液中必须含有一定量的钙盐，如果某个体动物血液中钙盐含量太低，就会出现抽搐。答案：C4．萌发的种子，细胞内代谢活动旺盛，干燥种子，细胞内代谢活动缓慢这说明 (

)A．水是细胞内代谢活动的产物B．水是细胞内代谢活动的必要条件C．水是细胞内主要成分D．以上均正确解析：细胞代谢旺盛程度是与细胞中自由水的相对含量呈正比例的关系。而且，细胞内各种生理生化反应必须在水中进行。答案：B5．下列与无机盐的功能无关的一项是 (

)A．组成某些重要的复杂化合物B．作为细胞中的能源物质之一C．维持生物体的正常生命活动D．维持细胞的渗透压和酸碱平衡解析：构成细胞的无机盐能维持生物体正常的生命活动，维持细胞的渗透压和酸碱平衡，还是组成自身化合物的重要组分。作为能源物质的主要是糖类，还有脂肪和蛋白质，无机盐不能作为能源物质。答案：B6．分析下列事实，回答有关问题。事实一：在正常人的血浆中，NaHCO3的含量约为H2CO3含量的20倍。当血浆中的NaHCO3含量减少时，会形成酸中毒；当血浆中H2CO3含量减少时，则形成碱中毒。事实二：在初生蝌蚪或幼小植物体内，当自由水的比例减小时，机体代谢强度降低；当自由水的比例增大时，机体代谢强度增加。事实三：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骼和牙齿中的重要成分。事实四：人体某些组织的含水量近似，但形态却不同。例如：心肌含水量约为79%而呈坚韧的形态；血液含水量约为82%却呈川流不息的液体。(1)事实一表明____________________________。(2)你对事实二中现象的全面解释是_____________。(3)事实三表明_______________________________。(4)你对事实四中差异的解释是_________________。解析：(1)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的所有特性以及在细胞内发生的一切反应。(2)细胞内水分以自由水和结合水两种形式存在，二者的比值制约植物的代谢活动，自由水直接参与植物的生理生化反应，结合水不参与这些反应，而是维持细胞内原生质体的稳定。当自由水与结合水的比值增大时，植物代谢活跃，生长较快。反之，代谢活性低，生长缓慢，甚至停止生长。(3)无机盐是某些复杂化合物的重要组成部分。(4)水在细胞中有两种存在形式：①结合水是与细胞内的其他物质相结合，是细胞结构的重要组成成分。②自由水是水在细胞内以游离的形式存在，可以自由流动。据题意，心肌与血液中的含水量近似，但形态上却有很大的差异。分析其原因，心肌的形态较固定且具有很强的韧性，这主要是由于心肌这种肌肉组织是由心肌细胞紧密结合构成的，细胞之间的间质较少，心肌细胞内结合水的含量较多造成其坚韧的特性。血液是由血浆和血细胞构成的，血浆中含有大量的自由水，可以自由流动。答案：(1)某些无机盐有调节酸碱平衡(或pH)的作用(2)自由水是良好的溶剂，是细胞代谢反应的介质，而且还参与某些反应(3)无机盐是细胞内的某些复杂化合物的重要组成成分(4)心肌中的水主要是结合水，血液中的水主要是自由水本节内容主要介绍了组成细胞的元素，由原子如何构成分子，以及细胞中的无机小分子。先通过探究实验，了解到生物体内必需元素的组成，再通过元素形成化合物的学习，了解原子必须与其他物质相互作用，才能表现出生命性。1．以下对组成生物体的化学元素的叙述，错误的是(

)A．组成生物体的化学元素主要是C、H、O、N、P、CaB．组成各种生物体的化学元素种类是大体相同的C．在不同的生物体中，各种元素的含量相差很大D．组成各种生物体的化学元素是完全一样的解析：组成生物体的化学元素主要是C、H、O、N、P、Ca，它们占全部元素的98%。不同的生物所含的元素种类基本相似，但各种元素含量具有一定的差异。这就是生物之间的联系和区别(即统一性和差异性)。答案：D2．原子中 (

)A．核电荷数等于核外电子数B．中子数等于质子数C．核电荷数等于中子数D．中子数等于核外电子数解析：原子不显电性，是核电荷数(核内质子数)等于核外电子数(即电量相等，电性相反的原因)。中子数不一定等于核电荷数、质子数、核外电子数。答案：A3．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解析：结合水是水与细胞内的其他物质相结合形成的，能与水结合的是一些亲水性物质。结合水是细胞结构的重要组成部分，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。自由水占细胞鲜重绝大部分，是细胞的良好溶剂，有利于运输，有利于生物化学反应等。因此，生命活动旺盛的细胞，自由水的含量就高。干种子的细胞内所含的主要是结合水，干种子只有吸足水分，获得大量的自由水，才能进行旺盛的生命活动——萌发。抗旱性强的植物，细胞内的结合水含量也较高。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。答案：A