15-16高考生物二轮复习细胞中的元素和化合物知识要点
一、生物界与非生物界的统一性与差异性
生物学的一个重要原则是生物界与非生物界的统一性和差异性。尽管两者在元素种类上大体相同，但在元素含量上却存在显著差异。这种统一性体现在构成生物体的元素同样存在于自然界中，例如碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）等元素，这些元素不仅构成了地球上的各种无机物质，也是生物体内不可或缺的基本成分。
然而，生物体内的元素含量与其所处环境中的元素含量并不完全一致。例如，在细胞中，碳、氢、氧、氮等元素的含量远高于其他元素，而这些元素在自然环境中虽然也广泛存在，但其相对比例却有所不同。这种差异反映了生物体对特定元素的高度选择性，以及它们在维持生命活动中的重要作用。
二、组成细胞的主要元素
细胞作为生命的基本单位，由多种元素构成。根据其在细胞中的含量，可以将这些元素分为大量元素和微量元素。
1. 大量元素
大量元素是指在细胞中含量较高的元素，主要包括碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）、钾（K）、钙（Ca）和镁（Mg）。其中，碳、氢、氧、氮、磷和硫是最为重要的六种元素，它们共同构成了细胞内大部分有机化合物的基础。
特别是碳元素，作为有机分子的骨架，在细胞干重中含量最高，是所有生命形式的核心元素。
2. 微量元素
微量元素是指在细胞中含量较低但同样重要的元素，如铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）、硼（B）和钼（Mo）。尽管这些元素在细胞中的浓度较低，但它们在酶的催化作用、电子传递链等生理过程中扮演着不可或缺的角色。例如，铁是血红蛋白的重要组成部分，负责氧气的运输；
锌则参与了数百种酶的活性中心，影响着广泛的代谢过程。
3. 主要元素与含量最高的四种元素
在上述大量元素中，碳、氢、氧、氮这四种元素最为重要，它们不仅是细胞结构的主要构建材料，还在能量代谢、遗传信息传递等方面发挥着关键作用。特别是在鲜重状态下，氧元素的质量分数最大，因为水占据了细胞的大部分重量，而水中含有大量的氧原子。
而在干重状态下，碳元素的质量分数最高，这是因为去除水分后，蛋白质、核酸等含碳有机物成为主要成分。
三、组成细胞的化合物
细胞内的化合物可以分为无机化合物和有机化合物两大类。无机化合物包括水和无机盐，而有机化合物则包括糖类、脂质、蛋白质和核酸。这些化合物各自具有独特的功能，共同维持细胞的正常生理活动。
1. 无机化合物
- 水：水是细胞中含量最多的化合物，占细胞总质量的70%到90%。它不仅是细胞内的溶剂，还参与了众多生化反应，如光合作用、呼吸作用等。此外，水还具有调节体温、保护和支持细胞结构的功能。
- 无机盐：无机盐以离子形式存在于细胞中，如钠（Na）、钾（K）、钙（Ca）、镁（Mg）等。它们在维持细胞内外渗透压、酸碱平衡、神经传导等方面起着至关重要的作用。
2. 有机化合物
- 糖类：糖类是细胞的主要能源物质，包括单糖（如葡萄糖）、双糖（如蔗糖）和多糖（如淀粉、纤维素）。葡萄糖是细胞进行有氧呼吸和无氧呼吸的主要底物，为生命活动提供能量。此外，多糖还参与细胞壁的构建和储存。
- 脂质：脂质是一类疏水性较强的化合物，包括脂肪、磷脂和固醇。脂肪是细胞内重要的储能物质，每克脂肪氧化分解时释放的能量约为同质量糖类的两倍。磷脂则是细胞膜的主要成分，赋予细胞膜流动性并调控物质进出。固醇如胆固醇在细胞膜稳定性和激素合成中也起到重要作用。
- 蛋白质：蛋白质是细胞干重中含量最高的化合物，由氨基酸通过肽键连接而成。它们在细胞中承担着多种功能，如催化生化反应的酶、运输物质的载体蛋白、免疫系统的抗体等。蛋白质的多样性源于氨基酸序列的不同排列组合，从而决定了其特定的三维结构和功能特性。
- 核酸：核酸是遗传信息的携带者，分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。DNA位于细胞核内，负责存储和传递遗传信息；RNA则参与基因表达的调控和蛋白质合成的过程。核酸分子由核苷酸单元组成，每个核苷酸包含一个磷酸基团、一个五碳糖和一个含氮碱基。
四、检测生物组织中糖类、脂肪和蛋白质的方法
为了更好地理解细胞内不同化合物的存在及其性质，实验检测是非常重要的手段。以下是几种常见化合物的检测方法及其注意事项：
1. 还原糖的检测
还原糖是指能够还原某些氧化剂的糖类，如葡萄糖、果糖和麦芽糖。常用的检测材料是苹果和梨，因为它们富含还原糖且容易获取。斐林试剂是一种常用的检测工具，由甲液（0.1 g/mL 的 NaOH）和乙液（0.05 g/mL 的 CuSO）组成。使用时需注意以下几点：
- 试剂配制：甲液和乙液必须等量混合均匀，并现配现用，以确保试剂的有效性。
- 操作步骤：将混合后的斐林试剂加入待测样液中，然后进行水浴加热。随着温度升高，溶液颜色会从浅蓝色逐渐变为棕色，最终形成砖红色沉淀，这表明样液中含有还原糖。
2. 脂肪的鉴定
脂肪可以通过显微镜观察切片来进行鉴定。常用材料包括花生子叶或向日葵种子，因为它们富含油脂。具体步骤如下：
- 切片处理：切片要尽量薄且均匀，以保证观察效果。如果切片厚薄不均，会导致部分区域清晰度不佳。
- 染色剂选择：使用苏丹Ⅲ或苏丹Ⅳ染液进行染色，前者使脂肪呈现橘黄色，后者则为红色。染色时间因染色剂不同而有所差异。
- 去浮色：染色后需用酒精洗去多余的染料，避免干扰观察结果。
- 显微镜观察：通过显微镜可以看到被染成橘黄色或红色的脂肪滴，证明样品中含有脂肪。
3. 蛋白质的鉴定
蛋白质的鉴定通常采用双缩脲试剂，该试剂由A液（0.1 g/mL 的 NaOH）和B液（0.01 g/mL 的 CuSO）组成。实验时应注意以下事项：
- 试剂添加顺序：先加A液1 mL，再加B液4滴，确保试剂按正确比例混合。
- 对照设置：鉴定前应留出一部分未处理的组织样液作为对照，以便对比实验结果。
- 颜色变化：若样品中含有蛋白质，则溶液会变成紫色，这是由于蛋白质中的肽键与Cu发生络合反应所致。
4. 淀粉的检测
淀粉是一种多糖，常用于植物储存能量。马铃薯是检测淀粉的理想材料，因其含有丰富的淀粉颗粒。碘液是检测淀粉的常用试剂，当碘液与淀粉接触时，会发生化学反应，使溶液变蓝。这一现象可用于快速判断样品中是否含有淀粉。
通过对细胞中元素和化合物的深入学习，我们不仅可以更好地理解生命的物质基础，还能掌握一系列实用的实验技能，为未来的生物学研究打下坚实的基础。
