构成细胞的元素和无机物

——高中生物必修一《分子与细胞》上课讲稿

开场白

同学们好！上节课我们学习了"走进细胞"，明确了细胞是生命活动的基本单位。那么细胞为什么如此特殊？是构成它的元素稀有，还是化合物有独特之处？这就是本节课要解决的核心问题。本节课围绕三个板块展开：第一，组成细胞的元素和化合物；第二，水和无机盐——也就是无机物；第三，三大有机物的鉴定实验。有机物的详细结构下节课再讲，今天先把元素和无机物讲透。好，让我们正式开始。

第一部分　组成细胞的元素和化合物

一、生物界与非生物界的统一性和差异性

科学家分析发现：地壳中约有90多种元素，组成生物体的常见元素仅20多种；生物体中能找到的每一种元素，在地壳中都能找到，没有一种元素是生物所特有的。但元素含量在生物体内和无机环境中差别巨大。我们来看一组数据：地壳中氧占48.6%、硅占26.3%，而细胞中氧占65%、硅极少；地壳中碳仅占0.087%，细胞中碳高达18%。这说明什么？

（一）统一性：没有生命特有元素

从来源看，植物通过根系吸收无机盐和水、从空气中吸收CO₂，动物通过食物链和饮水获取物质，归根结底都来自无机环境。从去向上看，生物死亡后遗体被分解者分解，元素归还无机环境，这是一个完整的物质循环。因此组成生物体的元素在自然界都能找到，根本原因是生物体不断与外界进行物质交换。

易错提醒：只能说"生物体的元素在自然界都能找到"，绝不能反过来说"自然界的元素在生物体中都有"。地壳中铅、汞、放射性元素等在正常生物体内不存在。这个方向性问题在考试中经常以判断题出现，请务必记牢。

（二）差异性：含量差别巨大

氧在地壳和细胞中含量都高（因为细胞中水最多），但地壳中含量很高的硅在生物体内极少，而生物体内排名第二的碳在地壳中并不突出。原因是生物体有选择地从外界吸收物质——生物膜具有选择透过性，根据生命活动需要选择性吸收元素。

二、元素的分类

（一）大量元素与微量元素

以含量是否超过万分之一为界：大量元素（>万分之一）包括碳C、氢H、氧O、氮N、磷P、硫S、钾K、钙Ca、Mg共9种，口诀"碳氢氧氮磷硫钾钙镁"；微量元素（<万分之一）包括锌Zn、铁Fe、硼B、铜Cu、钼Mo、锰Mn共6种，口诀"锌铁硼铜钼锰"。另外，人体中I（碘，甲状腺激素成分）、Se（硒，缺硒→克山病）也是重要微量元素。

微量元素含量少但不可或缺：缺锌→生长不良、食欲减退；缺铁→缺铁性贫血（铁构成血红素）；缺硼→植物"花而不实"；缺碘→地方性甲状腺肿。但大量和微量元素都不是越多越好，须维持在合适范围，过量也会中毒。

（二）基本元素与最基本元素

C、H、O、N在鲜重和干重中含量均居前四，合计超95%，称基本元素。碳被称为最基本元素，因为碳参与构成有机物的基本骨架，生物大分子以碳链为骨架。

重要易错点：不能说"碳是干重中最多的元素所以是最基本元素"——人体干重中碳最多，但玉米干重中氧最多。碳是最基本元素的本质原因是"构成有机物骨架"，而非干重含量第一。

（三）鲜重与干重的元素排序

我们来看具体数据：

人体鲜重：O>C>H>N（水多，氧含量高）；人体干重：C>O>N>H（去除水后有机物为主）。玉米干重中O含量特别高（44.43%），因为玉米糖类多——细胞壁纤维素、种子淀粉，糖类中氧比例大；而人体干重蛋白质多→碳和氮多。不同生物元素含量差异的根本原因是化合物种类和比例不同。

三、元素的存在形式与化合物分类

元素大多以化合物形式存在（注意：不是离子形式！无机盐大多以离子形式存在，两者描述对象不同）。化合物分无机物和有机物两大类：

无机物包括水（活细胞中最多，占70%~90%）和无机盐（1%~1.5%）。

有机物包括蛋白质（7%~10%，干重最多、鲜重中最多的有机物）、脂质（1%~2%）、糖类和核酸（1%~1.5%）。

含量排序：鲜重中水>蛋白质>脂质>糖类/核酸；干重中蛋白质最多。记住两个"最多"：鲜重中含量最多的化合物是水，鲜重中含量最多的有机物是蛋白质，干重中含量最多的化合物也是蛋白质。

第二部分　水——生命之源

水是生命之源。生命起源于原始海洋，如今细胞仍生活在液体环境中。水是活细胞中含量最多的化合物，占细胞鲜重的70%~90%。

一、水的含量与分布

不同生物含水量不同：水生>陆生（水母高达96%~97%）。同一生物不同发育阶段：幼年>成年>老年（婴儿约70%，成人约60%，老年人约50%），含水量与代谢强度正相关。男性含水量>女性（男性肌肉多→蛋白质多→亲水性强；女性脂肪多→疏水性强）。同一生物不同组织器官含水量也不同，比如血液含水量高于骨骼。

二、水的分子结构与特性

这是新教材重点增加的内容，大家要理解。水分子由2个氢原子和1个氧原子构成，氢原子以共用电子对与氧原子结合。由于氧吸引共用电子的能力强于氢→电子偏向氧→氧端带部分负电，氢端带部分正电。水分子的空间结构及电子的不对称分布，使水分子成为一个极性分子。

水的溶解性、流动性以及为生命活动提供稳定的液体环境，都与水的极性有关。因为水分子是极性分子，带有正电荷或负电荷的分子（或离子）都容易与水结合，因此水是良好的溶剂。比如食盐（NaCl）放入水中，Na⁺和Cl⁻被水分子包围而溶解，这就是因为水的极性。

三、水的存在形式与功能

水在细胞中有两种存在形式：自由水和结合水。

（一）自由水

定义：游离状态，可以自由流动的水。自由水的功能有四点，必须背诵：

第一，良好溶剂。因为水是极性分子，能溶解许多物质。细胞中的各种生化反应都需要在水溶液中进行。

第二，参与生化反应。自由水直接作为反应物参与许多重要的代谢反应，比如水解反应（大分子水解为小分子需要水）、光合作用（光反应阶段水的光解）、有氧呼吸（第二阶段丙酮酸和水反应生成CO₂和[H]）。

第三，提供液体环境。多细胞生物的细胞生活在以水为基础的液体环境中，比如人体的内环境（血浆、组织液、淋巴），为细胞提供稳定的生活环境。

第四，运输营养物质和代谢废物。比如血液中的水运输葡萄糖、氨基酸、氧气到各组织细胞，同时把尿素、CO₂等代谢废物运走。

（二）结合水

定义：与蛋白质、多糖等物质结合的水，不能自由流动。结合水的功能是：生物体的构成成分，是细胞结构的重要组成部分。比如心肌细胞中结合水比例较高，使心肌具有一定的形态和韧性。

注意：结合水是与蛋白质、多糖等亲水性物质结合，不是与脂肪结合——脂肪是疏水性的，不与水结合。考试中如果说"结合水可以与多糖、脂肪等物质结合"，那是错误的，脂肪不结合水。

（三）自由水与结合水的比例

自由水和结合水的比例不是固定不变的，会随代谢状态和环境条件变化。

自由水比例高时：代谢旺盛，但抗逆性差（抗寒、抗旱能力弱）。比如萌发的种子，自由水比例高，代谢旺盛，但不耐寒。

自由水比例低时（结合水比例高）：代谢弱，但抗逆性增强。比如休眠的种子、细菌的芽孢，结合水比例高，代谢极低，能抵抗不良环境。

典型例子：北方冬小麦在冬天来临前，自由水的比例会逐渐降低，结合水的比例会逐渐上升，以避免气温下降时自由水过多导致结冰而损害自身。这就是植物对低温环境的适应。冬小麦9月中下旬~10月上旬播种，翌年5月底~6月中下旬成熟，要经历整个冬天，所以必须有这种适应机制。

（四）种子含水量变化

我们来看种子的含水量变化过程，帮助大家理解自由水和结合水：

成熟的种子：含水量较高，有一定的自由水，可以进行微弱的代谢。

晒干的种子：失去大部分自由水，代谢大大降低，可以长期储存。注意，晒干失去的是自由水，不是结合水，所以种子还有活性，条件适宜还能萌发。

烘烤的种子：失去结合水，细胞结构被破坏，种子死亡，不能再萌发。

易错点：种子入仓前通过充分晾晒失去的是大部分自由水，不是全部自由水，更不是结合水。如果说"失去全部自由水"，那是错误的，完全失去自由水种子也会死亡。另外，将作物秸秆充分晒干后，其体内剩余的物质主要是有机物（纤维素、蛋白质等），不是无机盐——无机盐只占很小一部分。燃烧后剩下的灰烬才是无机盐。

第三部分　无机盐

一、无机盐的存在形式

无机盐在细胞中含量很少，仅占细胞鲜重的1%~1.5%，但作用非常重要。大多数无机盐以离子形式存在，比如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl⁻、SO₄²⁻、PO₄³⁻等。少数以化合物形式存在，比如骨骼和牙齿中的CaCO₃。

注意区分：元素大多以化合物形式存在，无机盐大多以离子形式存在。这两句话描述的对象不同，不要搞混。

二、无机盐的功能

无机盐的功能主要有四个方面，我们逐一来讲。

（一）构成细胞中重要化合物的成分

有些无机盐是细胞内某些复杂化合物的重要组成成分。比如：

Mg²⁺是叶绿素的必需成分——注意是叶绿素，不是类胡萝卜素！缺镁→叶绿素不能合成→叶片发黄。

Fe²⁺是血红蛋白的必需成分——缺铁→缺铁性贫血。

I⁻是甲状腺激素的必需成分——缺碘→地方性甲状腺肿（大脖子病），婴幼儿缺碘→呆小症。

P是磷脂、核酸、ATP的必需成分——缺磷影响生物膜、遗传物质和能量代谢。

Ca是骨骼和牙齿的重要成分（CaCO₃）。

N是蛋白质、核酸、叶绿素等的必需成分。

这里强调一个易错点：Mg²⁺存在于叶绿体的叶绿素中，不是类胡萝卜素中。考试中如果说"Mg²⁺存在于叶绿体的类胡萝卜素中"，那是错误的。

（二）维持细胞和生物体的生命活动

许多无机盐对于维持细胞和生物体的生命活动有重要作用。比如：

血钙（Ca²⁺）浓度：血Ca²⁺过高→肌无力；血Ca²⁺过低→抽搐（肌肉痉挛）。所以人体血液中钙离子浓度过低易出现抽搐现象，这个经常考。

Na⁺浓度：血Na⁺过低→神经、肌肉兴奋性降低，出现四肢无力、神志模糊等症状。

K⁺：维持心肌正常节律，血钾异常会导致心律失常。

B（硼）：促进花粉萌发和花粉管伸长，缺硼→植物"花而不实"（只开花不结果）。

（三）维持细胞的酸碱平衡

无机盐能维持细胞的酸碱平衡。人体细胞外液的pH之所以能稳定在7.35~7.45之间，就是因为血液中存在缓冲物质。主要的缓冲对是H₂CO₃/NaHCO₃（碳酸/碳酸氢钠），还有NaH₂PO₄/Na₂HPO₄等。

我们来看缓冲对是如何工作的：

当剧烈运动产生大量乳酸（酸性物质）进入血液时，乳酸与缓冲对中的NaHCO₃反应，生成乳酸钠和H₂CO₃；H₂CO₃分解为CO₂和H₂O，CO₂通过呼吸系统排出体外，乳酸钠在肝脏中再生为糖。这样血液pH不会明显下降。

当摄入碱性食物（如Na₂CO₃）进入血液时，与缓冲对中的H₂CO₃反应，生成NaHCO₃，过多的NaHCO₃通过泌尿系统排出。这样血液pH不会明显上升。

所以，无论是酸性物质还是碱性物质进入血液，缓冲对都能使pH保持相对稳定。这就是无机盐维持酸碱平衡的机制。

（四）维持细胞的渗透平衡

无机盐还能维持细胞的渗透压平衡。渗透压是指溶液中溶质微粒对水的吸引力。细胞外液的渗透压主要由Na⁺和Cl⁻维持（细胞外液渗透压的90%以上来源于Na⁺和Cl⁻）；细胞内液的渗透压主要由K⁺维持。

如果人体大量出汗，丢失过多的Na⁺和Cl⁻，就会导致细胞外液渗透压下降，出现血压下降、心率加快等症状，所以运动后要适量补充淡盐水。这也是为什么椰子水可以用于运动后补水补盐——它含有丰富的钾、钠、镁、钙等元素，渗透压和细胞内液几乎相等。

三、验证必需元素的实验设计

最后补充一个实验设计考点：如何验证某一元素是否为植物生长所必需的元素？

实验思路：采用水培法（溶液培养法），设置对照组和实验组。对照组用完全培养液（含有植物所需的全部矿质元素），实验组用缺素培养液（只缺少待验证的那种元素，其他元素相同）。在相同且适宜的条件下培养植物，观察生长状况。

如果实验组植物出现缺素症状，而对照组正常，再向实验组补充该元素，缺素症状消失，则证明该元素是植物生长所必需的元素。

注意几个问题：第一，自变量是培养液中是否含有该元素；因变量是植物的生长发育状况；无关变量如温度、光照、通气、pH等要保持相同且适宜。第二，本实验涉及"减法原理"——人为去除某种影响因素（去除该元素），与常态比较。第三，培养植物选择水培法而不是土壤培养法，因为土壤中元素成分复杂，无法控制变量。

第四部分　三大有机物的鉴定实验

最后我们来讲三大有机物的鉴定实验，这是高中生物第一个重要的实验，高考常考操作步骤、试剂使用和颜色变化。我们逐一来讲。

一、还原糖的鉴定

试剂：斐林试剂。甲液是质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液，乙液是质量浓度为0.05g/mL的CuSO₄溶液。

原理：还原糖（含有醛基-CHO的糖，如葡萄糖、果糖、麦芽糖）在水浴加热条件下，与Cu(OH)₂反应，生成砖红色的Cu₂O沉淀。反应式：-CHO+2Cu²⁺+4OH⁻→-COOH+Cu₂O↓+2H₂O。

选材要求：①无色或白色（避免材料本身颜色干扰实验结果观察）；②富含还原糖。常选苹果或梨匀浆。尽量不选甘蔗、甜菜（含蔗糖，蔗糖是非还原糖）、西瓜汁（本身有颜色，干扰观察）、血液（红色干扰）。

步骤：取2mL组织样液→加入1mL斐林试剂（甲液和乙液等量混合均匀后再加入，现配现用）→50~65℃水浴加热→观察颜色变化（蓝色→棕色→砖红色）。

注意：斐林试剂必须现配现用，不能长期保存。因为Cu(OH)₂不稳定，放置过久会沉淀失效。实验结束后剩余的斐林试剂不能装入棕色瓶长期备用。

二、蛋白质的鉴定

试剂：双缩脲试剂。A液是质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液，B液是质量浓度为0.01g/mL的CuSO₄溶液。

原理：在碱性（NaOH）环境下，Cu²⁺与蛋白质中的肽键发生反应，生成紫色的络合物。注意，双缩脲试剂检测的是肽键，不是蛋白质本身——所以只要有两个以上肽键的化合物都能发生反应，比如多肽也能与双缩脲试剂反应。但氨基酸没有肽键，不能反应。

选材：鲜肝提取液、豆浆、鸡蛋清稀释液。注意鸡蛋清要稀释，否则反应后会粘在试管壁上，不易清洗。

步骤：取2mL组织样液→加入1mL双缩脲A液（NaOH），摇匀（创造碱性环境）→加入4滴双缩脲B液（CuSO₄），摇匀→观察颜色变化（紫色）。

注意：双缩脲试剂是先加A液再加B液，不能混合后再加！这和斐林试剂不同。B液不能加太多，否则CuSO₄本身的蓝色会掩盖紫色反应。

拓展：实验室如果没有双缩脲试剂，可以用斐林试剂和蒸馏水代替。因为斐林试剂甲液就是0.1g/mLNaOH（和双缩脲A液相同），斐林试剂乙液是0.05g/mLCuSO₄，用蒸馏水稀释到0.01g/mL就相当于双缩脲B液。所以这个说法是正确的。

三、脂肪的鉴定

试剂：苏丹Ⅲ染液（或苏丹Ⅳ染液）。

原理：脂肪可被苏丹Ⅲ染液染成橘黄色（被苏丹Ⅳ染成红色）。

选材：花生种子（富含脂肪）。

步骤：取材（浸泡过的花生种子）→切片（徒手切片，取最薄的一片）→制片（加2~3滴苏丹Ⅲ染液，染色3min；然后用体积分数50%的酒精洗去浮色；再滴加蒸馏水，盖上盖玻片）→观察（先用低倍镜找到目标，再换高倍镜观察橘黄色脂肪颗粒）。

注意：用50%酒精洗去浮色是关键步骤——因为苏丹Ⅲ染液本身有颜色，如果不洗去多余的染液，整个视野都是橘黄色，看不清脂肪颗粒。酒精能溶解苏丹Ⅲ染液，所以用酒精洗浮色。

四、DNA的鉴定

补充：DNA的鉴定用二苯胺试剂。原理：在沸水浴条件下，DNA与二苯胺反应呈现蓝色。步骤：将DNA溶解在NaCl溶液中→加入二苯胺试剂→沸水浴加热→观察蓝色。这个在后面学习DNA粗提取实验时会详细讲。

五、斐林试剂与双缩脲试剂的比较

课堂总结

好，这节课的内容就讲完了。我们来总结一下重点。

第一部分元素和化合物：生物界与非生物界既有统一性（元素种类相同）又有差异性（元素含量不同）。元素分大量元素和微量元素，C是最基本元素。人体鲜重O>C>H>N，干重C>O>N>H；玉米干重O>C，因为糖类多。元素大多以化合物形式存在，水是鲜重最多的化合物，蛋白质是干重最多的化合物和鲜重最多的有机物。

第二部分水：水是极性分子，是良好溶剂。自由水有四大功能（良好溶剂、参与生化反应、提供液体环境、运输），结合水是细胞结构成分。自由水比例高→代谢旺、抗逆差；结合水比例高→代谢弱、抗逆强。冬小麦越冬前自由水比例下降、结合水比例上升。晒干失去自由水，烘烤失去结合水。

第三部分无机盐：大多以离子形式存在。四大功能：构成重要化合物（Mg→叶绿素、Fe→血红蛋白、I→甲状腺激素）、维持生命活动（血钙低抽搐、血钙高肌无力）、维持酸碱平衡（H₂CO₃/NaHCO₃缓冲对）、维持渗透平衡（细胞外液Na⁺Cl⁻、细胞内液K⁺）。验证必需元素用缺素培养液水培法。

第四部分有机物鉴定：还原糖用斐林试剂（混合加、水浴加热、砖红色）；蛋白质用双缩脲试剂（先A后B、不加热、紫色）；脂肪用苏丹Ⅲ（橘黄色、50%酒精洗浮色）；DNA用二苯胺（沸水浴、蓝色）。斐林试剂和双缩脲试剂的成分和用法区别要记牢。

这节课为我们后续学习有机物打下了基础。下节课我们将深入学习糖类、脂质、蛋白质和核酸这四大有机物的结构和功能。课后大家把配套的练习题做一下，有不懂的地方随时来问我。好，这节课就到这里，下课！