2.1 细胞中的元素和化合物（教学设计）生物人教版2019必修1

第2章 组成细胞的分子 第1节　细胞中的元素和化合物 年级 高一年级 授课时间 1课时 课题 第1节　细胞中的元素和化合物 教材分析 本节课内容选自人教版高中生物必修1《分子与细胞》第2章第1节，本节内容在教材中起着承上启下的重要作用。从知识体系来看，细胞是生命活动的基本单位，而细胞中的元素和化合物是构成细胞的物质基础，这为后续深入学习细胞的结构和功能、细胞的代谢、细胞的增殖等内容奠定了基石。只有了解细胞中的各种元素和化合物，才能更好地理解细胞的生命活动以及生命现象的本质。 本节内容主要包括掌握组成细胞的主要元素和化合物、掌握生物组织中的糖类、脂肪、蛋白质的检测原理及检测过程、探讨细胞中主要化合物的种类等内容。学好本节内容，有利于学生更好掌握后面章节细胞中的有机物、无机物等知识。与初中教材相比，本节在内容上有了进一步的深化和拓展。初中教材只是简单提及细胞中含有多种物质，但对元素和化合物的种类、含量以及它们在细胞中的重要作用等方面的讲解较为浅显。高中教材则更加系统和深入，不仅详细阐述了组成细胞的化学元素的种类，还对大量元素、微量元素进行了分类讲解，并通过实验探究让学生亲自体验细胞中主要化合物的种类。同时，高中教材还强调了组成细胞的元素与自然界元素的统一性和差异性，这有助于培养学生的辩证思维和科学的世界观。 此外，教材还通过多种栏目设置，如“思考·讨论”“探究·实践”等，引导学生积极参与学习过程，培养学生的探究能力、合作交流能力以及科学思维能力，体现了新课程标准对学生核心素养培养的要求。 教学目标 【课标要求】 1.说出细胞主要由C、H、O、N、P、S等元素构成，它们以碳链为骨架形成复杂的生物大分子。 2.实验活动：检测生物组织中的还原糖、脂肪和蛋白质。 【素养目标】 1.通过比较地壳、细胞和不同细胞中元素种类和含量，形成生命的物质观，进一步认同生物界的统一性与多样性。（生命观念） 2.基于对细胞中元素和化合物含量的分析，归纳概括出细胞中的大量元素、微量元素和化合物种类。（科学思维） 3.通过检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质实验，掌握定性颜色反应的原理和科学探究方法。（科学探究） 教学重、难点 【教学重点】 1.组成细胞的主要元素和化合物 2.检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质 【教学难点】 检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质 教学过程 教学内容 教师活动 学生活动 新课导入 【创设情境】 通过视频“平衡膳食，健康生活”导入，思考我们每天吃的食物中，包含了哪些人类必需的营养物质？这些物质与我们的细胞组成、健康有什么关系？ 【问题探讨】 分析组成地壳和组成细胞的部分元素含量表，提问： 问题1：组成细胞的化学元素，在无机自然界中都能找到，说明什么？ 问题2：细胞中的各元素含量和无机环境中的含量大不相同，这说明什么？ 生物界与非生物界的统一性与差异性： ·统一性：组成细胞的化学元素，在无机自然界中都能够找到，没有一种化学元素为细胞所特有。 ·差异性：细胞中各种元素的相对含量与无机自然界的大不相同。 问题3：为什么细胞中各种元素的相对含量与无机自然界大不相同？ 引导学生运用归纳与概括的思维方法思考问题并认识到生物界与非生物界的统一性和差异性，培养学生分析图表、发现问题的能力。 学生观看视频，结合生活实践，思考问题。 通过横、纵向比较表格，归纳结论。 回答问题，认识到生物及非生物物质组成上的统一性和差异性。 细胞是有生命的，其所含元素是从地壳中有选择地吸收的。 新知探究 一、组成细胞的元素 【活动1】比较组成玉米细胞和人体细胞的元素及含量 阅读并分析“思考·讨论”表格，讨论问题： 1.在玉米细胞和人体细胞中含量较多的四种元素一样吗?怎样解释这种现象? 2.胞中有些元素含量很少,是否意味着它们不重要? 实例：如在玉米细胞中，S只有0.17%，Mg只有0.18%，但很多蛋白质都含有S，叶绿体中的叶绿素分子就含有Mg，如果缺少S或Mg，细胞就不能合成这些蛋白质或叶绿素。 3.比较组成玉米细胞和人体细胞中的元素种类和含量,你还能得出哪些结论？ 提示：组成玉米细胞中氧元素的含量明显高于人体细胞，而氮元素的含量又明显低于人体细胞，这说明玉米细胞和人体细胞中不同有机物的含量有差别，如玉米细胞中的糖类要多一些，而人体细胞中蛋白质的含量要多一些；Ca的含量也有差别，这与玉米和人体的物质和结构组成有关。 引导学生得出最后结论： ·不同生物体内化学元素种类：种类基本相同。 ·不同生物体内同种化学元素含量：含量不同。 ·同一生物体内不同化学元素的含量不同，其中C、H、O、N4种元素含量最多。 ·占细胞鲜重最多的元素为O；占细胞干重最多的元素为C。 阅读教材P16~17，归纳总结： 1.组成细胞的元素种类：细胞中常见的化学元素有20多种。 2.元素分类： ·含量占生物体总重量万分之一以上的元素。 ·含量占生物体总重量万分之一以下的元素。 ※记忆诀窍： “铁 猛 碰 新 木 桶” Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu 3.来源：生物体有选择地从无机自然界中吸收。 【拓展应用】元素缺乏症 · Fe-缺Fe会引起缺Fe性贫血（ Fe是血红蛋白的组成成分）。 · Mg-合成叶绿素的必需元素。 · Ca-成年人缺钙患骨质疏松症；人血液中缺钙会出现抽搐现象。 · I-缺I引起甲状腺肿（大脖子病，I是构成甲状腺激素的必需元素）。 · B-缺B会引起植物的花而不实（只开花不结果）。 · Zn-食欲减退、免疫力下降、影响生长 阅读资料，结合所学知识，讨论问题。 1.一样，都是C、H、O、N。这是因为玉米和人都是生物，组成它们的主要成分都是水、糖类、脂类和蛋白质等物质，这些物质含有C、H、O，蛋白质中还含有大量的N元素。 2.细胞中有些元素含量很少，但是却有重要作用。 小组合作讨论，得出结论。 新知探究 二、组成细胞的化合物 【素材分析】组成生物体的每一种元素都是不可或缺的。在细胞中，这些元素主要以化合物的形式存在。成年人通过日常饮食摄入这些化合物，婴儿则可以从母乳或奶粉中获取，从而完成正常的生命活动。 展示某配方奶粉的营养成分表，提问：一款成分科学的奶粉需要包含哪些化合物呢？ 引导学生根据分析，总结组成细胞的化合物： 分析教材图2-1，“组成细胞的主要化合物及相对含量”，的出结论：组成细胞的各种元素大多以化合物的形式存在，如水、蛋白质、核酸、糖类、脂质等。完成以下填空： ·一般来说，占细胞鲜重最多的化合物是水，有机物是蛋白质；占细胞干重最多的化合物是蛋白质。 · 结合构成化合物的元素类型，鲜重时，细胞中含量最多的元素是O，数量最多的元素是H。 【拓展应用】有机化合物和无机化合物 ·自然界中的化合物可以分为两类：有机化合物（有机物）和无机化合物（无机物）。有机物是指除CO、CO2、碳酸盐等以外的几乎所有含碳化合物；无机物通常指不含碳元素的化合物，也包括CO、CO2、碳酸盐等含碳化合物。 ·目前已知的生物有机体均以碳为基本元素，其组成的物质中，多糖、核酸、蛋白质等生物大分子，均是在由碳组成的链状或环状的基础上所形成的。 【拓展应用】细胞中不同化合物的组成元素 【旁栏思考】 梨的果实和叶片的细胞中所含化合物的种类和含量有什么明显的差距？ 提示：梨的果实细胞中糖类和水分等物质多，不含叶绿素。 介绍“中国居民平衡膳食宝塔”，引导学生结合生活实践，认识到日常膳食做到不同食物的合理搭配。 结合已有知识，分析列表中的营养成分，思考并回答问题。 归纳总结得出结论：组成细胞的各种元素大多以化合物的形式存在，如水、蛋白质、核酸、糖类、脂质等。 完成填空。 结合初中化学知识，理解“有机化合物和无机化合物”。 结合日常饮食得出结论：不同生物组织的细胞中各种化合物的含量是有差别的，日常膳食做到不同食物的合理搭配。 随堂检测 1．下列有关组成细胞的化学元素和化合物的叙述，不正确的是（　　） A．人体细胞干重中含量最多的有机化合物是蛋白质 B．人体活细胞内含量最多的元素是O C．Mg、Zn、Ca等大量元素是生物体必不可少的 D．微量元素对生物体来说具有重要作用 【解析】 A．人体细胞干重中含量最多的有机化合物是蛋白质，A正确； B．人体活细胞内含量最多的元素是O，B正确； C．Zn属于微量元素，C错误； D．微量元素含量虽少，但对生物体来说非常重要，D正确。 故选C 2．下表是用于无土栽培番茄的一种培养液的配方，下列说法正确的是（　　） A．番茄汁可以作为检测还原糖的材料 B．在该培养液配方中，Fe属于大量元素 C．植物吸收的Mg2+可用于合成叶绿素 D．构成番茄植株的细胞中，含量最多的化合物是蛋白质 【解析】 A．还原糖与斐林试剂在水浴加热的条件下产生砖红色沉淀，而番茄汁呈红色，会实验结果造成干扰，故进行还原糖的鉴定实验时，不能选择番茄汁作为实验材料，A错误； B．Fe属于微量元素，B错误； C．Mg2+是合成叶绿素的必需物质，故植物吸收的Mg2+可用于合成叶绿素，C正确； D．构成番茄植株的细胞中，含量最多的化合物是水，含量最多的有机化合物是蛋白质，D错误。 故选C。 3．下表是玉米细胞和人体细胞的部分元素及含量占比（干重）数据。下列相关叙述正确的是（　　） A．玉米细胞和人体细胞干重中含量最少的元素分别是S和Mg B．人体细胞中Mg的含量低于Ca，说明Mg的重要性相对更低 C．组成玉米细胞和人体细胞的元素种类和含量均存在较大差异 D．不同细胞的元素含量不同，这主要与细胞膜的功能特性有关 【解析】 A．表中并未将组成玉米细胞和人体细胞的全部元素列举出来，也就不能得出“玉米细胞和人体细胞干重中含量最少的元素分别是S和Mg”的结论，A错误； B．组成细胞的每一种元素，对细胞的生命活动都很重要，不能根据含量较少直接比较不同元素的重要性大小，B错误； C．表中数据显示组成玉米和人的元素种类基本相同，含量差异较大但表中只表示部分元素，未列举元素情况未知，C错误； D．组成不同细胞的元素含量不同，主要与细胞膜的选择透过性有关，选择透过性是细胞膜的功能特性，D正确。 故选D。 4.下图1为某动物细胞中化合物含量扇形图，图2为该细胞占比前三的元素（用abc表示）柱形图，下列说法错误的是（     ） A．若图1、2表示正常细胞，则A是水；a、b依次为氧、碳 B．若图1、2表示细胞干重，则A是蛋白质；a、b依次为碳、氧 C．所有细胞都含有a、b、c元素 D．据图2，正常细胞中c原子数较少，导致c元素含量较a、b低 【解析】 A、在组成细胞的元素中，占鲜重百分比：O>C>H>N，因此，a、b依次为氧、碳，细胞中含量最多的化学物是A（水），A正确； B、干重中最多的是A（蛋白质），占干重百分比：C>O>N>H，因此a、b以此是碳、氧，B正确； C、所有细胞都含C、H、O、N四种元素，此四种元素包含于a、b、c中，C正确； D、据图2，正常细胞中c是H，原子数最多，且导致c元素含量较低的原因是因为其原子量小，D错误。 故选D。 新知探究 三、【探究·实践】检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质 1.实验原理 某些化学试剂能够使生物组织中的相关化合物产生特定的颜色反应。 ·还原糖(葡萄糖、麦芽糖、果糖等)＋斐林试剂砖红色沉淀 ·脂肪＋苏丹Ⅲ染液→橘黄色 ·蛋白质＋双缩脲试剂→紫色 2. 实验材料： 梨匀浆、葡萄匀浆、白萝卜匀浆、花生种子、豆浆、鲜肝提取液、鸡蛋清稀释液等。 注意： (1)所选材料应富含被检测的有机物，易出现明显的实验现象。 (2)材料本身应为白色或近于白色，不干扰实验结果。 3.实验仪器及试剂 （1）实验仪器：显微镜，试管，大烧杯，小烧杯，培养皿，小量筒，滴管，刀片，载玻片，盖玻片，吸水纸，试管架，试管夹。 （2）实验试剂：斐林试剂，苏丹Ⅲ染液，双缩脲试剂；体积分数为50%的酒精溶液，蒸馏水。 4.方法步骤 （1）还原糖的检测和观察 ·斐林试剂 ①配方： 甲液：0.1g/mlNaOH溶液 乙液：0.05g/mlCuSO4溶液 ②使用方法：甲液和乙液等量混合均匀后立即使用，需50~65℃水浴加热。 【学科交叉】斐林试剂检测还原糖的实质 还原糖中的醛基（-CHO）在加热条件下能将Cu(OH)2中的铜离子还原成亚铜离子，从而生成砖红色的Cu2O。 （2） 脂肪的检测和观察 制作花生子叶临时切片，用显微镜观察子叶细胞的着色情况。 （3）蛋白质的检测和观察 双缩脲试剂 ①配方： A液：0.1g/mlNaOH溶液 B液：0.01g/mlCuSO4溶液 ②使用方法：先加A液1ml摇匀，再加B液4滴摇匀。 （B液不宜加多，以免生成过量Cu(OH)2沉淀，影响结果观察） 【学科交叉】双缩脲试剂检测蛋白质的实质 脲就是尿素，两分子尿素在一定的条件下（180℃左右加热），生成一个分子氨（NH3）缩合得到双缩脲。正是因为该物质是由两分子脲缩合而成的，故名双缩脲。双缩脲在碱性溶液中能与极稀的硫酸铜溶液形成紫色络合物，这个呈色反应叫做双缩脲反应。双缩脲试剂最初是指能够提供碱性条件和铜离子、用以鉴定或检测双缩脲存在的试剂。 蛋白质分子中含有肽键，在碱性条件下，肽键能与双缩脲试剂中的Cu²⁺结合，形成紫色络合物，从而产生紫色反应。双缩脲试剂由A液（质量浓度为0. 1g/mL的NaOH溶液）和B液（质量浓度为0. 01g/mL的CuSO₄溶液）组成，使用时先加A液创造碱性环境，再加B液。 5.实验结果分析 （1）如果组织样液与斐林试剂反应呈现砖红色，就说明溶液中有葡萄糖吗？ （2）还原糖的鉴定实验中，溶液的颜色是由无色变为砖红色吗？ （3）脂肪检测可以采用显微镜观察细胞内染色的油滴，也可以通过观察组织样液颜色的变化确定含有脂肪。 （4）平时使用的酶如淀粉酶、蛋白酶等的化学本质也是蛋白质，与双缩脲试剂同样显紫色。将淀粉和淀粉酶混合，用斐林试剂鉴定，呈现砖红色；用双缩脲试剂鉴定，呈现紫色。 6.注意事项 (1)蛋白质检测时，双缩脲试剂的加入顺序：先加A液，再加B液，且B液不能过量。目的是先制造碱性环境。若先加B液或B液过量，会生成Cu(OH)2，干扰颜色反应。 (2)在蛋白质检测实验中，若使用的是鸡蛋清，需要将鸡蛋清稀释到一定程度，否则与双缩脲试剂发生反应后，会黏在试管的内壁上，反应不彻底，试管也不易刷洗。 【归纳总结】比较斐林试剂与双缩脲试剂 【活动2】学以致用——检测某中老年奶粉中的蛋白质、还原糖 某校课外生物兴趣小组利用某款奶粉进行了有关实验，实验材料、试剂、工具等只有：该奶粉若干、斐林试剂甲液、斐林试剂乙液、清水、葡萄糖溶液、蔗糖溶液、15%的纯蛋白质溶液、试管若干、试管架、水浴锅、小量筒、滴管等。 (1)若欲检测该奶粉质量的优劣，需检测其中是否含有蛋白质，请从上述给出的溶液中选出鉴定试剂并说明用法。 (3)牛奶中的糖类主要是乳糖，属于_______（填“单糖”、“二糖”或“多糖”）。欲鉴定牛奶中的糖是否为还原糖，设计实验：选用斐林试剂甲液0.1g/mL NaOH溶液，乙液为______________ （需注明浓度），鲜牛奶中加入斐林试剂后再水浴加热至_____℃，若出现明显的砖红色沉淀则说明牛奶中含有还原糖。 (4)为使还原糖鉴定的实验结果更具说服力，建议再设计两组对照： 对照1加入_________________________________后再加入斐林试剂并水浴加热； 对照2加入_________________________________后再加入斐林试剂并水浴加热。 阅读教材P18~19，小组合作，尝试描述检测脂肪、还原糖和蛋白质的步骤，分析两种试剂在成分、浓度和使用方法上的异同。 结合实验结果，小组合作讨论： （1） 不能，只能说明有还原糖。 （2） 不是，蓝色到棕色再到砖红色。 小组讨论完成问题： （1） 检测试剂：用双缩脲试剂来检测。 检测方法：双缩脲试剂（A液0.1 g/mL NaOH溶液，B液0.01 g/mL CuSO4溶液）可由斐林试剂甲液（0.1 g/mL NaOH溶液）、乙液（0.05g/mLCuSO4溶液加清水稀释）调配得出。向某中老年奶粉溶液试管中加入1mL的0.1g/mL的NaOH溶液溶液，振荡摇匀，再向试管中加入3~4滴0.01g/mL的CuSO4溶液溶液，振荡摇匀，观察颜色的变化。 （2） 二糖； 0.05 g/mL CuSO4溶液； 50~65℃ （3） 与实验组奶粉等体积的清水； 与实验组奶粉等体积的葡萄糖溶液 随堂检测 5、关于“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质实验”的叙述，正确的是（　　） A．检测氨基酸的含量可用双缩脲试剂进行显色 B．检测生物组织中还原糖，先加甲液2ml，再加乙液4滴 C．双缩脲试剂检测蛋白质的原理实质是在碱性条件下，Cu2+与肽键发生紫色反应 D．鉴定花生种子细胞中的脂肪时，染色后用蒸馏水洗去浮色 【解析】 A、双缩脲试剂通过检测肽键而发挥作用，不能用于检测氨基酸含量，A错误； B、检测生物组织中还原糖需要用到斐林试剂，且需要水浴加热，斐林试剂使用时，需要将斐林试剂甲液和乙液等量混合，B错误； C、双缩脲试剂检测蛋白质的原理实质是在碱性条件下，Cu2+与肽键发生紫色反应，因此斐林试剂在使用时需要先加斐林试剂的A液，而后在滴加斐林试剂B液，C正确； D、鉴定花生种子细胞中的脂肪时，染色后用50%的酒精洗去浮色，D错误。 故选C。 6、植物的种子中储存足够量的有机物是其萌发的必要条件。下列叙述正确的是（　　） A．玉米种子组织样液中加入碘液后可出现砖红色 B．发芽的大麦种子样液，可直接与斐林试剂发生反应 C．由于花生种子中富含脂肪，所以花生子叶切片的厚度不影响脂肪颗粒的观察 D．大豆种子的组织样液和鲜肝提取液均可与双缩脲试剂发生反应产生紫色 【解析】 A、碘液用于检测淀粉，遇淀粉变蓝色。玉米种子富含淀粉，因此加入碘液应显蓝色而非砖红色，A错误； B、斐林试剂用于鉴定还原糖需在沸水浴条件下与还原糖反应生成砖红色沉淀。发芽大麦种子中的麦芽糖虽为还原糖，但斐林试剂需加热才能显色，直接加入无法反应，B错误； C、花生子叶切片过厚会导致细胞重叠，影响显微镜下脂肪颗粒的观察，故切片厚度会影响实验结果，C错误； D、大豆种子含蛋白质，鲜肝提取液含酶（蛋白质），双缩脲试剂可与蛋白质发生紫色反应，无需水浴，D正确。 故选D。 7、研究人员在25℃、黑暗、无菌、湿润条件下，对大豆种子萌发和生长过程中糖类和蛋白质含量进行测定，绘制曲线如图所示。下列叙述错误的是（　　） A．在1～9d内，可溶性糖含量的变化趋势是先增加后保持相对稳定 B．鉴定大豆中是否产生还原糖，可使用斐林试剂，需水浴加热后观察颜色变化 C．鉴定大豆中的蛋白质可使用双缩脲试剂，先加A液，摇匀后再加B液，无需加热 D．种子在萌发过程中蛋白质的含量会发生变化而种类不会变化 【解析】 A、种子萌发过程中，由图可知，在1～9d内，可溶性糖含量的变化趋势是先增加后保持相对稳定，A正确； B、斐林试剂可用于鉴定还原糖，使用时需水浴加热，会出现砖红色沉淀，B正确； C、用双缩脲试剂鉴定蛋白质时，先加A液（创造碱性环境），摇匀后再加B液，反应生成紫色络合物，无需加热，C正确； D、种子在萌发阶段会进行基因的选择性表达，所以蛋白质的含量和种类均会改变，D错误。 故选D。 课堂小结 板书设计 1、 组成细胞的元素 1、 组成细胞的元素常见的有20多种 2、 组成细胞最基本的元素：C 3、 大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg 微量元素 ：Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu 2、 组成细胞的化合物 3、 检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质 实验原理： 还原糖+斐林试剂→砖红色沉淀 脂肪+苏丹Ⅲ→橘黄色 蛋白质+双缩脲试剂→紫色反应 教学反思 根据课程标准的要求，学习元素和化合物要结合生活实际，深入探究元素和化合物在生产和生活中的应用，理解其存在的意义和价值。元素是构成世间物质的基础，而化合物也广泛分布在世间万物之中，对生产生活、经济发展、文明进步甚至生命都至关重要。深入了解元素和化合物的性质和规律，有助于优化生产过程，提高产品质量，甚至可以维持生命特征，促进社会发展。 本节设计紧密围绕元素和化合物的相关知识，结合学生已掌握的理论知识，通过生活实践经验、实验操作等形式，为学生提供全面、深入的学习体验，极大调动了学生的学习积极性，促进学生掌握知识的同时，也培养了实践动手能力、合作能力、归纳总结能力等。 / 学科网（北京）股份有限公司 $$