1、ISBN 978-7-5499-8129-89 787549 981298绪论1第一章细胞的分子组成第一节 细胞中的元素和无机化合物5构成细胞的元素6水和无机盐是细胞中的无机化合物6第二节 细胞中的糖类和脂质11碳链是形成生物大分子的骨架12糖类是细胞的重要结构成分和主要能源物质12走进实验室 检测生物组织中的糖类15脂质在维持细胞结构和功能中的作用17走进实验室 探究植物细胞是否含有脂肪17第三节 细胞中的蛋白质和核酸21细胞的功能主要由蛋白质完成22边做边学 检测生物组织中的蛋白质24核酸储存与传递遗传信息24目录第二章细胞的结构和生命活动第一节 细胞学说现代生物学的“基石”32细胞学说的
2、建立与发展33生物学研究的重要工具显微镜34? ? 边做边学 正确使用光学显微镜的高倍镜35细胞的大小和形态35边做边学 使用光学显微镜观察各种各样的细胞36第二节 细胞生命活动的基本单位40细胞质膜将细胞与外界环境分开41结构与功能独特的细胞器44边做边学 使用高倍镜观察叶绿体和线粒体47遗传信息主要储存在细胞核中49边做边学 制作真核细胞亚显微结构模型52细胞各部分结构分工合作53原核细胞和真核细胞的主要区别54第三节 物质进出细胞的运输方式57细胞质膜具有选择透过性58边做边学 观察植物细胞的质壁分离和复原现象59被动运输不需要细胞供能61主动运输需要细胞供能62细胞的胞吞和胞吐64第三
3、章细胞中能量的转换和利用第一节 生命活动需要酶和能源物质72生物催化剂酶73边做边学 酶的催化作用具有高效性73边做边学 酶的催化作用具有专一性75走进实验室 探究影响酶促反应速率的环境因素76ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质78第一节 细胞增殖113生物体的生长主要是细胞增殖的结果114细胞增殖和有丝分裂114走进实验室 观察植物根尖细胞有丝分裂117减数分裂和无丝分裂119第二节 细胞分化、衰老和死亡123细胞分化和细胞全能性124细胞衰老和细胞死亡126第四章细胞增殖、分化、衰老和死亡第二节 光合作用光能的捕获和转换83解开光合作用之谜84叶绿体与光能的捕获85边做边学 提取和分离
4、叶绿体中的光合色素86绿色植物光合作用的过程87第三节 细胞呼吸能量的转化和利用92细胞有氧呼吸是大多数生物获取能量的主要途径93细胞无氧呼吸也为生命活动提供能量94走进实验室 探究酵母菌的呼吸方式95细胞呼吸产生能量的利用97第四节 影响光合作用和细胞呼吸的环境因素100影响光合作用的环境因素101走进实验室 探究不同光质的光对植物光合作用的影响102影响细胞呼吸的环境因素103光合作用和细胞呼吸原理的应用105绪绪论论一、为什么要学习“分子与细胞”模块的内容？生物学是自然科学中的基础学科之一，是研究生命现象和生命活动规律的一门科学，也是农、林、牧、副、渔、医药卫生和环境保护以及其他应用科学
5、领域的基础。我们为什么要学习“分子与细胞”模块的内容呢？首先，“分子与细胞”模块是现代生物学的核心内容。生物学是解决当前人类面临的人口、能源、粮食、环境和健康等问题的关键学科之一，它的发展对社会的影响越来越大。以健康问题为例，生物学一直在发挥着重要作用。在人类发展史上，许多传染病曾大规模暴发过，极大地危害了人类的健康。例如，在第一次世界大战期间，非洲、亚洲等地的军队发生了疟疾大流行，特别是在非洲东部，因感染疟疾而丧生的人数超过10万。我国古代医书黄帝内经中已有关于疟疾的记载。该病有周期性规律发作的特点，患者全身发冷、发热、多汗，长期多次发作后，可引起患者贫血和脾肿大。疟疾广泛流行于世界各地，是
6、全球关注的重要公共卫生问题之一。随着科学技术的发展，特别是生物学的迅猛发展，疟疾的发病率和死亡率都大大降低了。据统计，2000年全球疟疾发病2.14亿例，死亡73.8万人，到2015年发病率和死亡率分别下降37%和60%。这与世界卫生组织从20世纪90年代开始推荐以青蒿素为主的复合疗法密切相关。青蒿素是由我国科学家屠呦呦研究团队从植物黄花蒿（图1）中提取出来的有效成分。2015年屠呦呦因此获得诺贝尔生理学或医学奖。当前，心血管疾病、癌症等非传染病仍然对人类健康危害极大。在人类征服这些疾病的道路上，生物学还将发挥关键作用。生物学包括许多分支学科，如细胞生物学、生物化学、分子生物学、植物学和动物学
7、。这些学科取得的进步推动了生物学的迅猛发展。其中，细胞生物学和分子生物学作为两个重要的分支学科，在生物学的发展中发挥了重要作用。其次，学习“分子与细胞”模块对提高我们的生物学学科核心素养具有不可或缺的作用。“分子与细胞”模块是高中生物学必修课程的两个模块之一。 “分子与细胞”必修模块的内容也是学习“遗传与进化”必修模块和“稳态与调节”“生物与环境”“生物技术与工程”三个选择性必修模块的基础。图1黄花蒿1本模块包括许多与分子生物学、细胞生物学有关的基础知识，也包括许多学习活动。通过这些知识的学习和活动的开展，我们的生物学学科核心素养会得到提升。例如，“科学探究”是生物学学科核心素养之一。科学探究
8、是指能发现现实世界中的生物学问题，针对特定的生物学现象，进行观察、提问、实验设计、方案实施以及对结果的交流与讨论的能力。通过本模块中的许多“科学探究”活动，我们会逐步增强对自然现象的好奇心和求知欲，掌握科学探究的基本思路和方法，提高实践能力，并且在探究中，乐于和善于团队合作，勇于创新。二、“分子与细胞”模块有哪些学习内容？有关细胞生物学和分子生物学的内容可以用“海量”来形容。我们要学习其中的哪些内容呢？ “分子与细胞”模块仅选取了细胞生物学和分子生物学方面的最基本的知识。例如，我们会学习有关细胞的分子组成，细胞结构及其功能，物质进出细胞，光合作用和细胞呼吸，细胞生长、增殖、分化、衰老和死亡的内
9、容。这将有助于我们形成“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”“细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现增殖”两个大概念（图2）。学习了这些内容，我们能运用相关概念阐述营养与人体健康的关系；能结合实例阐述光合作用与农业生产的关系；能将细胞呼吸的原理应用于日常生活中瓜果蔬菜的储存；能理解细胞增殖和分化与胎儿发育的关系，理解细胞衰老与人体衰老的关系等，并能参与解决和生物学有关的生活、生产问题。三、如何学习“分子与细胞”模块的内容？学习本模块的内容特别要注意以下两个方面。首先，兴趣是最好的老师。爱因斯坦（A. Einstein，18791955）说过：“兴趣是最好的老师。”一个人一旦对某种事物有
10、了浓厚的兴趣，就会主动去求知、去探索、去实践。德国科学家施佩曼（H. Spemann，18691941）的实例能说明兴趣的重要性。他毕生从事两栖类胚胎早期发育方面的研究，这一研究属于细胞生物学范畴。例如，他对蝾螈的研究是源于儿童期常常玩蝾螈而产生的兴趣。他在蝾螈受精卵分裂为两个细胞时，用初生小儿的头发在两个细胞之间加以结扎，结果每个细胞都发育成一个完整的胚胎；如果在较晚时期如原肠胚期结图2“分子与细胞”模块主要学习内容细胞结构及其功能光合作用捕获光能并转换成化学能细胞呼吸将有机物中的能量转化为生命活动中可利用的能量细胞是生物体结构与生命活动的基本单位细胞的生存需要能量和营养物质，并通过分裂实现
11、增殖细胞经历生长、增殖、分化、衰老和死亡等生命进程细胞分子组成物质通过各种方式进出细胞酶和ATP参与细胞生化反应2扎，分开的两半只能各自发育为半个胚胎。这意味着在胚胎的早期和晚期之间发生了某种变化，使胚胎各部分的“命运”确定下来。以后，他又通过异位移植实验，发现在原肠形成之前，如果外胚层的任何部分与中胚层接触，都能发育为神经组织；如果将原来要发育为神经组织的外胚层移到不与中胚层接触的部位，外胚层便不能发育为神经组织。这是首次接触到精确控制胚胎某一部分发育方向的机制问题。这一发现使他获得了1935年诺贝尔生理学或医学奖。本模块以分子与细胞等微观层面的内容为主，理论性比较强，理解起来有一定的困难。
12、这就更需要我们提高学习兴趣。尽管每个人都有不同的知识背景、生活经历和人生目标，但我们都热爱生命。这是学习生物学的兴趣基础，也是主动参与学习的驱动力。其次，重视概念学习，着重提升生物学学科核心素养。我们不能停留在记住一些零散生物学事实的层面上，而要通过实验实践活动、科学思维活动、科学探究活动，对事实进行抽象和概括，来主动建构概念和合理的知识框架，这样才能在新情境下解决相关问题。要在学习生物学概念的同时，特别注意生物学学科核心素养的提升。例如，我们应该参与以探究为特点的主动学习过程，因为主动学习过程可以直接促进“科学思维”“科学探究”学科核心素养的提升，也能间接影响“生命观念”“社会责任”学科核心
13、素养的达成。本模块需要形成的生命观念包括结构与功能观、物质与能量观等，这些观念的形成建立在较好地理解“分子与细胞”模块中重要概念的基础上。在学习本模块的过程中，我们不仅要领悟生物学家在研究过程中所持有的观点以及解决问题的思路和方法，还要像科学家一样，通过提出问题、获取信息、寻找证据、检验假设和发现规律等过程，习得生物学知识和观念，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习的能力。3 分子是人和其他许多生物细胞的组成物质随着人类基因组计划的完成，科学家可以更深入地解析人类细胞中DNA分子的奥秘了。而在此之前，科学家已对各种生物细胞中的蛋白质、糖类、脂质和无机物有了相当的了解，它们是细胞
14、结构组成和功能发挥的物质基础。环顾周围葱郁的树、青翠的草、畅游的鱼、飞翔的鸟，它们和人在细胞的分子组成上一样吗？组成这些分子的元素一样吗？这些物质在生物体中有什么生理功能？它们的存在与生物具有的生命特征有什么关系？第第一一节节细细胞胞中中的的元元素素和和无无机机化化合合物物此外，铁（Fe）、硒（Se）等其他元素在人体细胞内的含量都很少，大约总计为0.5%。思考：1.列举 根据上述事实和已有经验，我们能列举人体细胞中的元素（如O、C、H、N、Ca、P、S）可能参与了细胞中哪些物质的组成吗？2.推测 在人体内含量很少的元素除Fe、Se外，还可能有哪些元素？能说出Fe和Se与人体健康的关系吗？3.归
15、纳 各种生物的组成元素都源于地球上自然存在的元素，其原因是什么？1869年，俄国科学家门捷列夫（D. M. leev，18341907）首创了化学元素周期表，将当时已知的63种元素（element）依据相对原子质量大小，按照一定的顺序在表中排列。这张化学元素周期表揭示了物质世界的秘密。以后，新元素不断被发现，化学元素周期表里的元素也越来越丰富，这对化学和生物学的研究和发展都发挥了巨大的促进作用。那么，地球上的这些元素与我们的日常生活有什么关系？人体细胞里含有哪些元素呢？事实：1.现已证明，地球上自然存在的元素有90多种。生活在地球上的各种生物，无论其结构简单还是复杂，组成物质无一例外地都来自这
16、些元素。2.科学家测定了组成人体细胞的元素，其中一些元素的平均含量见表1 - 1 - 1。积积极极思思维维人体细胞里含有哪些元素呢？人体细胞中有些元素含量较多，有些元素含量较少。含量较多的元素是不是比含量较少的元素在生命活动中发挥更重要的作用呢？表1 - 1 - 1人体细胞的一些元素及其平均含量（占细胞鲜重的百分比）元素氧（O）碳（C）氢（H）氮（N）钙（Ca）磷（P）硫（S）钾（K）镁（Mg）平均含量65181031.51.40.30.20.15水赋予细胞许多特性水是生命之源。在活细胞中，水是含量最多的物质，约占细构成细胞的元素不同的元素在地壳中和在生物细胞中所占的比例各不相同。地壳（包括大
17、气）中含量最多的元素是O，约占全部元素的48.6%，其次是Si、Al、Fe。生物细胞中含量最多的元素也是O，约占细胞鲜重的65%，然后依次是C、H、N。组成生物体的任何一种元素都可以在无机自然界中找到。生物体中常见的元素有20多种。其中，C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na、Cl等元素在生物体内含量较多，称为大量元素（macroelement）；Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo、Co、Se等元素含量很少，称为微量元素（microelement）。C、H、O、N、P、S等元素构成了细胞结构和功能所需的基本物质。不同生物体内所含的元素种类基本相同，但每种元素的含量存在一定的差异。生物体会因
18、环境中缺乏某种元素而发生该元素的缺乏症。例如，1935年，在我国黑龙江省克山县首先发现一种心功能不全病（地方性心肌病），并称之为克山病。研究发现，克山病不仅存在于克山县，许多低硒地区也都有发生。后来，一些科学家对此进行了深入研究，他们发现让低硒地区的居民口服亚硒酸钠，可以预防克山病的发生，这说明硒的缺少与克山病的发生有显著的相关性（表1 - 1 - 2）。表1 - 219761983年期间一项“硒的缺少与克山病发生相关性”研究的数据组 别观察人数发病人数发病率（）88 373110.1254 5502374.34实验组（补Se）对照组（不补Se）组成细胞的各种元素大多以化合物（compound
19、）的形式存在。化合物分为无机化合物和有机化合物。科学家测得某种植物细胞中的主要化合物及其质量分数，见表1 - 1 - 3。水和无机盐是细胞中的无机化合物表1 1 - 3某种植物细胞中的主要化合物及其质量分数类 别化合物质量分数（%）无机化合物水85.090.0无机盐1.01.5有机化合物蛋白质7.010.0脂质1.02.0糖类和核酸1.01.56啄-表1 - 1 - 4细胞中的无机盐作用举例作 用举 例?维持细胞的渗透压和生物体液的酸碱平衡?细胞中的磷酸氢二钾、磷酸二氢钾等参与维持生物体液的酸碱平衡?参与物质组成，维持细胞正常的代谢活动?合成血红蛋白需要铁，合成甲状腺激素需要碘，合成叶绿素需要
20、镁图1 1 - 1水分子之间形成氢键胞重量的2/3。水分子由两个氢原子和一个氧原子以共价键（由实线表示）结合组成。在相邻的水分子之间，一个水分子中带部分负电荷（用啄-表示）的氧原子与另一个水分子中带部分正电荷（用啄+表示）的氢原子以静电引力相互吸引形成一种分子间相互联结的作用力。在化学上，这种作用力被称为氢键（hydrogen bond）（图1 - 1 - 1）。氢键（由虚线表示）也可以使水分子与其他含有电负性原子（如氮原子）的分子结合。氢键虽然是水分子间的较弱的吸引力，却使水分子具有许多特殊的理化性质。例如，水分子的空间结构与电荷的不对称分布，使得水分子具有极性，这让几乎所有带电荷的或具有极
21、性基团的分子都能溶解在水中；同时，氢键使水分子间的作用力大大增强，水的熔点和沸点也因此而增高。细胞中的水分子以自由水（free water）和结合水（boundwater）两种形式存在。自由水以游离的形式存在，参与细胞中各种代谢活动。自由水是良好的溶剂，细胞生命活动所需的许多离子、分子都可以溶解其中；自由水可以自由流动，溶解在水中的各种物质随着水的流动到达生物体各处，被细胞吸收和利用，细胞代谢产生的废物一般也借助于水排出体外；细胞中几乎所有的生化反应都是以自由水为介质进行的，有些水还直接作为反应物参与生化反应。正因为自由水的特殊作用，在代谢旺盛的细胞中，自由水的含量一般比较高。结合水是被细胞内
22、其他物质（如蛋白质）束缚而不易自由流动的水，是组成细胞的重要成分。休眠的种子、越冬的植物、生活在干旱或盐渍条件下的植物，其细胞内结合水的含量相对较多，抵抗不良环境的能力也较强。总之，细胞中的水对于维持细胞的形态、保证细胞代谢的正常进行具有重要作用。可以说，没有水就没有生命。细胞中的无机盐与生命活动关系密切细胞中的无机盐约占细胞重量的1%，常以离子形式存在。细胞中的无机盐含量虽少，但具有重要的生理功能，与生命活动关系密切。无机盐在维持细胞正常的代谢活动、细胞的渗透压和生物体液的酸碱平衡等方面都具有非常重要的作用（表1 1 - 4）。啄+啄-啄+啄+啄-啄-啄+HOH氢键OHHOHHOHHO HH
23、7当某些无机盐含量过多或过少时，生物体可能会出现相应的病症。例如，哺乳动物缺少钙时，会出现肌肉抽搐现象，而钙过多时，又会出现肌肉乏力现象；番茄果实出现脐腐现象（脐腐病）与缺少钙有关；番茄植株的老叶尖端和边缘出现失绿甚至干枯坏死的现象，与缺少钾有关。某些元素过剩或缺乏时黄瓜叶片的症状氮过剩时叶片的症状磷过剩时叶片的症状钾缺乏时叶片的症状镁缺乏时叶片的症状知识链接作物正常生长需要各种营养元素当某些元素缺乏或过剩时，作物会在形态上表现出明显的症状。传统农业就是针对这些症状，判断作物中哪些元素可能过剩或缺乏（下图），进而针对性地施用肥料。氮是作物中蛋白质、核酸和叶绿素等物质不可缺少的组成成分。当作物缺
24、氮时，植株不仅生长矮小、瘦弱，叶色淡绿，还表现为花少，果实少而小。当氮元素过剩时，植株营养生长过旺、叶色浓绿、果实迟熟。磷是作物细胞的重要组成成分，对作物体内的物质合成、转化与转移都起着重要作用。缺磷时，作物除生长矮小、瘦弱外，还表现为叶色暗绿、缺乏光泽，开花结果少。磷过剩时，作物叶片大小正常，但呈现失绿黄化现象。作物缺钾时，叶色呈暗绿色或紫蓝色，老叶尖端和边缘逐步失绿，发黄焦枯。镁是叶绿素的重要组成成分。作物缺镁时，叶脉之间会变黄，但叶脉周围仍呈现清晰的绿色。当植物缺乏某种元素时，植物会表现出该种元素缺乏症，甚至死亡。传统农业根据植物的元素缺乏症，往往会有针对性地向农田投入化肥，但对投入化肥
25、的种类和数量做不到精细管理，可能造成一些营养元素的过剩。过剩的元素也会对农田土壤环境造成污染。如何解决这类环境问题？精准农业也许会成为未来农业的发展方向。精准农业能根据农田的土壤元素状况和作物的元素缺乏状况，实施定位、定量的精准施肥，高效地利用各类农业资源，并取得较好的经济效益和环境效益。为什么在饲料生产中要添加某些无机盐？8本节练习一、思辨题有人分别取兔和牛的一小块组织，并测定了两种组织细胞的元素组成，发现兔和牛组织细胞的化学元素组成很相似，其中含量最多的四种元素应该是（） 、 、 、 、2水的功能与水的存在形式有关。下列与自由水或结合水的功能描述不匹配的是（）自由水参与细胞代谢自由水运输养
26、料和代谢废物结合水是细胞的结构成分结合水是多种离子良好的溶剂3如果一个人经常发生肌肉抽搐（俗称抽筋），那么，其体内可能缺乏的物质是什么？这种物质过多时，人体又会出现怎样的症状？二、应用题1.无机化合物如水和无机盐是生物细胞中的重要组成物质，虽然它们的含量各有差异，但细胞和生物体的生命活动却离不开它们。有人总结了植物体所处的土壤环境和大气环境中的元素组成情况，并绘制了下图。（1）写出土壤中几种微量元素的名称，并填写在图中的空白圆圈内。（2）联系化学课程中所学的知识，说出图中各种元素参与组成哪些无机化合物。列举Na+、K+、Fe2+、Mg2+在植物生命活动中的作用。2.当科技人员将紫花苜蓿、玉米、
27、豌豆和大豆等农作物的种子播种到某高原的土壤里时，只有紫花苜蓿和大豆能度过严冬而存活下来。尝试分析其原因。如果有困难，可以通过互联网搜集相关信息。3.幼叶细胞中自由水与结合水的比值比老叶的大，请思考，这有什么意义？举例说明水在参与体内各种生化反应，以及营养物质和代谢产物的运输等方面的作用。碳氧氢氮钾磷钙硫镁微量元素土壤环境和大气环境中的元素组成情况示意图9食品质检员食品质检员依据物理学、化学和生物化学的一些基本理论和各种技术，按照国际或国家食品卫生及安全的标准，对食品原料、辅助材料等的质量进行检验，以确保产品质量合格。食品检验包括对食品中营养成分、微量元素、添加剂以及有害物质、农药残留等的检测。
28、许多具有食品相关专业大专或本科以上学历的人在从事食品质检员的工作。如果想要更多地了解本职业的相关情况，可访问我国关于职业介绍的网站。食品质检员在农贸市场用快速检测箱对蔬菜进行抽样检测课课外外阅阅读读精准农业与信息技术精准农业的技术原理是在对耕地和作物长势进行定量的实时诊断并充分了解大田生产力的基础上，以平衡地力、提高产量为目标，实施定位、定量的精准田间管理。实施精准农业不但可以最大限度地提高农业生产力，还能实现优质、高产、低耗和环保的农业可持续发展的目标。精准农业由多个系统组成。我国信息技术的迅猛发展为精准农业提供了有力支撑。我国某些地区针对小麦、玉米、水稻、棉花、大豆和草地等农情的遥感监测系
29、统已经初步建成。精准农业不仅要观测农作物生长的各种环境信息，还要考虑影响农作物生长的潜在生物学信息，如杂草、作物营养、病虫害信息。所以，实施精准农业的农业科技工作者不仅需要拥有相关的生物学知识，还需要掌握信息技术及具备一定的科学探究能力。信息获取技术遥感系统卫星定位系统地理信息系统遥测系统田间自动检测系统信息处理技术农作物的种植面积土壤湿度分析土壤养分分析环境分析，如温度等病虫害分析长势与产量估算数据分析空间对策自动化拖拉机变量作业机械车载自动作业仪车载自动分析仪变量自动系统机械翻耕（耕作方式）播种（播种量处方图）排灌（不同地块不同量）施肥（变量施肥处方图）喷药（变量农药处方图）收割（粮食收获
30、产量图）决策与控制网络信息集成与分析决策与监控自动制图地面测控精准农业信息技术集成示意图数据采集10图1 2 - 1碳原子结构示意图质子中子电子第第二二节节细细胞胞中中的的糖糖类类和和脂脂质质环顾家里的厨房，我们会发现米、面、蔗糖、食用油、醋、味精等物品，它们大都含有机化合物。科学家早就发现，有机化合物是构成细胞的主要物质，活细胞内有机化合物的含量仅次于水。细胞中有机化合物的种类也很多，如糖类（）、脂质（）、蛋白质（protein）。除了一氧化碳、二氧化碳和碳酸盐外，几乎所有含碳化合物都是有机化合物。所以，有人认为碳是有机化合物的核心元素。我们认同这种观点吗？事实：1.一个碳原子含有六个质子、
31、六个中子和六个电子（图1 2 - 1）。碳原子外层的四个电子可与其他原子（如氢、氧、氮、硫原子）结合，即通过与其他原子共用电子对，形成共价键。2.一个碳原子与一个氢原子通过共用两个电子形成共价键，其中一个电子由碳原子提供，另一个由氢原子提供。碳原子外层的另外三个电子也可以与其他原子形成共价键。3.碳原子之间也可以共用电子对，形成CC键或C=C键等。由于碳原子之间共用电子对，多个碳原子之间会形成长长的碳链或环状结构。思考：1.概述 日常生活中，我们接触到哪些有机化合物？2.解释 碳的哪些结构特点使它成为有机化合物的核心元素？积积极极思思维维碳是组成有机化合物的核心元素吗？我们一般是从一日三餐认识
32、食物中的有机化合物的。米面一般富含淀粉（starch），肉类一般含有糖原（glycogen）、蛋白质、脂肪（fat），果蔬一般富含维生素、纤维素（cellulose），各种食物中也含有一定量的核酸（nucleic acid）。其中，多糖（polysaccharide）、蛋白质和核酸又被称为生物大分子。它们的结构特点是什么呢？11碳链是形成生物大分子的骨架一般来说，生物体内合成的相对分子质量超过10 000的有机化合物被称为生物大分子。多糖、蛋白质和核酸是生物大分子，它们都是由许多基本组成单位（单体）连接而成的。构成这些单体的碳原子之间是通过单键或双键相连接的，形成了不同长度的分支状、链状或环状
33、结构，这些结构被称为有机化合物的碳骨架（carbon skeleton）（图1 2 - 2）。碳骨架结构的排列和长短决定了有机物的基本性质。例如，直链淀粉是以葡萄糖（glucose）分子为单位通过化学键相互连接而成的。具体地说，葡萄糖分子有六个碳原子，第一个葡萄糖的第一碳原子和第二个葡萄糖的第四碳原子通过化学键相连；第二个葡萄糖的第一碳原子又和第三个葡萄糖的第四碳原子通过化学键相连最后形成的淀粉分子就是由葡萄糖分子通过碳骨架构成的大分子有机化合物（图1 2- 3）。糖类是细胞的重要结构成分和主要能源物质糖类是自然界最丰富的有机物，你有没有思考过:“糖有多少种？ ”“不同的糖对生物体的生命活动各
34、有什么作用？ ”糖类一般由、三种元素组成。根据结构的不同，可以将糖类分为单糖、二糖和多糖等三大类型。单糖生物体内的单糖有许多种。例如，核糖和脱氧核糖是含有五个碳原子的单糖，称为五碳糖，它们是组成核苷酸的基本单位；葡萄糖（图1 2 - 4）、果糖和半乳糖是含有六个碳原子的单糖，称为六碳糖，它们可以组成其他糖类。CH2OHOHOOCH2OHOOHOHOHHHHHHHHHHOCH2OHOHOOCH2OHOOHOHOHHHHHHHHHHHOCH2OHOHOOCH2OHOOHOHOHHHHHHHHHHHOOH图1 2 - 3葡萄糖分子通过碳骨架构成的淀粉分子结构式（部分）41 41 41 41 41 4
35、1CH2OHH5HHO4OHH3OHHOOHH12图1 2 - 4葡萄糖分子结构式6图1 2 - 2几种碳骨架示意图HHCHHHHHHCCCHHCCCHCHHHHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCCC12多糖植物细胞中的多糖主要是淀粉和纤维素，动物细胞中的多糖主要是糖原（图1 2 - 6）。图1 - 2 - 5麦芽糖、蔗糖和乳糖的组成示意图二糖麦芽糖、蔗糖、乳糖等是常见的二糖。一分子麦芽糖水解产生两分子葡萄糖；一分子蔗糖水解产生一分子葡萄糖和一分子果糖；一分子乳糖水解产生一分子葡萄糖和一分子半乳糖。可见，二糖是由两分子单糖缩合而成的（图1 2 - 5）。图1 2 - 6淀粉、纤维素和糖原分
36、子结构（部分）示意图250 m200 nm150 nm直链淀粉分子植物细胞中的淀粉粒富含淀粉糖原分子纤维素分子支链淀粉分子葡萄糖葡萄糖葡萄糖果糖半乳糖葡萄糖麦芽糖蔗糖乳糖植物细胞壁中的纤维富含纤维素蛙肝细胞中富含糖原13在初中生物学的学习中，我们已经知道植物体内的淀粉是由CO2和H2O经光合作用而形成的，水稻、小麦和玉米的种子，以及马铃薯的块茎和甘薯的块根中，都含有较多的淀粉。动物的肝细胞中含有肝糖原，肌细胞中则含有肌糖原。糖原的分子结构与支链淀粉相似，它们都是由葡萄糖分子相互连接组成的糖链，其中有的葡萄糖分子之间通过连接产生支链。与支链淀粉中的支链相比，糖原分子中支链的分支点更加密集，且在平
37、均长度上通常要短一些。纤维素也是由葡萄糖分子相连组成的多糖分子。纤维素可水解产生纤维二糖，它是由两分子葡萄糖组成的。糖类在生物体内有什么作用呢？纤维素是植物细胞壁的主要成分，细胞壁对植物细胞有支持和保护作用；一切生物的生命活动都需要消耗能量，淀粉是许多植物体内重要的能源物质，在种子萌发或生长发育时，植物细胞能将淀粉分解为小分子的糖类物质；动物体内的糖原也是重要的能源物质。纤维素、淀粉和糖原的最终水解产物都是葡萄糖。葡萄糖不仅是构成二糖和多糖的主要单体，还是细胞中能量代谢的关键单糖。糖类既是细胞的重要结构成分，又是生物体维持生命活动的主要能源物质。糖类还能与蛋白质结合成糖蛋白，与脂质结合成糖脂，
38、糖蛋白和糖脂在细胞免疫、细胞识别、信息传递等生命活动中发挥重要作用。如何鉴别种类繁多、结构复杂的糖类呢？除了常用稀碘液鉴定淀粉外，在实验中常用斐林试剂来检测某种生物组织或器官中是否含有还原糖（reducing sugar）。根据糖类是否具有还原性，可将糖类分为还原糖和非还原糖（non-reducing sugar）。单糖和麦芽糖、乳糖等二糖是还原糖，它们与斐林试剂会发生反应，产生砖红色沉淀（Cu2O）。例如，苹果或梨的果实匀浆中含有葡萄糖和果糖，加入新配制的斐林试剂，混合均匀后水浴加热，浅蓝色（斐林试剂颜色）溶液会逐渐生成砖红色沉淀（图1 2 - 7）。淀粉、蔗糖等是非还原糖，它们与斐林试剂不
39、会产生砖红色沉淀。在淀粉酶的作用下，淀粉可以水解成麦芽糖，所以，淀粉的水解产物应该能与斐林试剂发生反应，产生砖红色沉淀。事实果真如此吗？我们不妨通过实验进行验证。图1 2 - 7斐林试剂鉴定还原糖的颜色变化“牛吃的是草，产的是奶”，说明牛能分解利用植物中的纤维素。为什么人不能消化利用纤维素呢？肝糖原和肌糖原是分布在不同器官中的糖原。它们在动物生命活动中的作用相同吗？反应前反应后14走进实验室检测生物组织中的糖类糖类是生物组织中分布广泛、含量较多的物质。在许多植物组织中，糖类的含量可以高达干重的80%。在生物体的生命活动中，结构不同的糖类具有不同的功能，参与不同的代谢过程。因此，在对糖类的研究中
40、，检测生物组织中的糖类非常重要。实验目的1.学会使用稀碘液、斐林试剂鉴定生物组织中的淀粉和还原糖。2.学会设计实验，并选择适当的化学试剂鉴定生物组织中不同种类的糖类。3.观察实验过程中不同种类的糖在化学反应中产生的颜色变化、沉淀情况，分析实验结果。实验原理1.在淀粉溶液中加入稀碘液，碘分子与淀粉结合产生变色反应，溶液变成蓝色。唾液中含有唾液淀粉酶，在淀粉酶的作用下，淀粉水解产生麦芽糖。麦芽糖是一种还原糖。2.葡萄糖、麦芽糖等可溶性还原糖与斐林试剂反应，会产生砖红色沉淀。淀粉和蔗糖等非还原糖与斐林试剂则不发生砖红色沉淀反应。3.斐林试剂可由质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液和质量浓度为0.
41、05 g/mL的CuSO4溶液按1 1的比例混合配制而成。实验器材和试剂大烧杯、小烧杯、试管、滴管、量筒、水浴锅（或酒精灯、铁架台、石棉网、火柴）；淀粉、蔗糖、葡萄糖、淀粉酶、清水、稀碘液、质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液、质量浓度为0.05 g/mL的CuSO4溶液等。实验步骤实验一 鉴定淀粉郾取三支洁净的试管，用记号笔在试管上部编号（如、C）备用。郾用天平称取葡萄糖、蔗糖和淀粉各1 ，分别放入盛有2 清水的烧杯中，溶解备用。：市场上的食用冰糖是比较纯的蔗糖，天然蜂蜜中的葡萄糖含量超过30%，面粉中含有较多淀粉。郾用量筒量取葡萄糖溶液、蔗糖溶液和淀粉溶液各 ，分别加入上述编号为A、B
42、、C的三支试管。郾向上述三支试管中分别滴入等量的稀碘液，观察溶液颜色的变化情况，并记录在表1 - 2 - 1中。类 别C管糖溶液/mL稀碘液/滴颜色变化管管表1 - 2 - 1实验记录表15实验二 鉴定还原糖.取四支洁净的试管，编号（如1号、2号、3号、4号）备用。.用量筒量取实验一中制备的葡萄糖溶液、蔗糖溶液和淀粉溶液各 ，分别加入其中的1号、2号、3号试管中，再各滴加 清水。.向4号试管中加入淀粉溶液 ，再滴入 稀释的唾液。：唾液中含有唾液淀粉酶，酶发挥作用需要适宜的温度。.静置5 后，向四支试管中各加入 斐林试剂，在5065 条件下隔水加热 ，观察溶液颜色变化、是否产生沉淀等情况，并记录
43、在表1 - 2 - 2中。安全使用酒精灯等实验器具！结果与分析葡萄糖和淀粉的水解产物能与斐林试剂反应产生砖红色沉淀；蔗糖分子既不与稀碘液发生反应，也不与斐林试剂发生反应。技能指导实验室基本的安全规则在实验室做实验是令人兴奋的经历，但如果不遵守基本的安全规则，就可能发生危险。1.进入实验室前，应穿实验服，戴护目镜和手套。2.进入实验室后，禁止吃食物、喝水；对不熟悉的仪器设备，未经允许不要随意触摸和启动。3开始实验后，先仔细阅读实验步骤，严格按照实验步骤操作；保持实验室整洁，所有的药品应远离火焰；禁止把化学试剂随意混合起来，因为这样很可能引起燃烧或爆炸；不能随意加热化学试剂，因为某些化学试剂在低温
44、时无害，但在加热时就很危险；禁止加热密闭的容器，因为里面的气体膨胀可能使容器爆炸；禁止加热外部尚未完全干燥的玻璃器具；安全使用锋利的金属器具或尖锐的玻璃器具。4.实验过程中，要学会处理一些可能发生的事故。例如，当酸性试剂溅到眼内或皮肤上时，应及时用大量清水冲洗；发生火灾等事故，应按照要求及时报警和报告老师。5实验结束时，应对玻璃器皿进行清洗；按要求处理所有的化学试剂，不能把它们随意倒入水池中；按要求处理实验动物，并彻底清洗与动物接触过的笼子、器具等。6在离开实验室前，要认真洗手，并关闭水电、门窗。类 别1号管4号管糖溶液/mL颜色变化2号管3号管清水/mL稀释的唾液/mL斐林试剂/表1 - 2
45、 - 2实验记录表16脂质在维持细胞结构和功能中的作用脂质是生物体的重要组成成分，对维持细胞结构和功能有重要作用。脂质主要由、三种元素组成。脂质一般不溶于水。脂肪、磷脂（phospholipid）和固醇类（steroids）都属于脂质。一提起脂肪，我们一定会想起从菜场或超市买回来的含有较多脂肪的肉（图1 - 2 - 8）。其实，植物的一些器官里也可能含有较多脂肪。例如，从超市买来的花生油、大豆油是从花生种子、大豆种子中提取出来的，可见，花生种子和大豆种子都含有大量的脂肪。那么，是不是植物各种器官的细胞里都含有脂肪呢？我们可以通过实验加以验证。图1 2 - 8肉中含有较多脂肪走进实验室探究植物细
46、胞是否含有脂肪肥肉中含有脂肪，那么，洋葱和核桃的细胞中含有脂肪吗？实验目的尝试检测植物细胞中的脂肪。实验器材和试剂洋葱鳞片叶、核桃种子（核桃仁）等；载玻片、盖玻片、滴管、滴瓶、培养皿、刀片、镊子、光学显微镜；物质的量浓度为 的盐酸，苏丹，体积分数分别为、7的乙醇溶液。实验指导.植物体没有专门的脂肪组织，但植物细胞一般都含有脂肪。例如，洋葱鳞片叶内表皮细胞含有较少的脂肪，核桃种子的子叶细胞含有大量的脂肪（图1 - 2 - 9）。图1 - 2 - 9洋葱鳞片叶内表皮细胞（左）和核桃种子的子叶细胞（右）（400）17图1 2 - 11磷脂分子模式图图1 2 - 10脂肪分子模式图图1 2 - 12固
47、醇类分子模式图脂肪是细胞内重要的储能物质。脂肪或多或少地存在于几乎所有的动物细胞和植物细胞中。脂肪分子（图1 - 2 - 10）的水解产物是甘油和脂肪酸。磷脂分子（图1 - 2 - 11）是构成细胞质膜（plasmamembrane）的重要物质。人和动物的脑、肝脏以及大豆种子中，含有丰富的磷脂。固醇类分子（图1 - 2 - 12）包括胆固醇、性激素和维生素等。胆固醇是合成其他固醇类物质的原料，也是构成动物细胞质膜的成分之一；性激素能促进人和动物生殖器官的发育及生殖细胞的形成；维生素D能促进人和动物对钙和磷的吸收。蜡也是一类脂质，比脂肪的疏水性更强。它们通常分布于生物体的表面，具有保护作用。例如
48、，许多果实（如苹果和梨）的表面有一层蜡，以避免水分的散失。.问题与假设：植物体各部位的细胞中是否都含有脂肪？根据问题，作出假设。.设计与实验：四人一组，根据假设，选择材料，制作临时玻片标本并观察。：（1）苏丹染色液（0.2 g苏丹加入50 mL体积分数为70%的乙醇溶液中）可将脂肪染成橘黄色。（2）如果被染色的玻片标本上有苏丹染色液的浮色，可用体积分数为%的乙醇溶液洗去。（3）在光学显微镜下能够观察到被染色的脂肪颗粒。.合作与交流：小组成员之间相互介绍玻片标本的制作经验及观察结果。结果与分析根据观察现象，得出结论。反思实验过程与结论的合理性。18本节练习一、思辨题对人体细胞而言，下列各种物质中
49、不能被用作能源物质的是（）纤维素糖原脂肪乳糖2固醇类物质是细胞中一类重要的代谢调节物质。下列物质中不属于固醇类的是（）维生素D性激素胆固醇磷脂3现在很多人比较注重身体健康，会通过各种方式进行减肥。有的人认为在减肥时要少吃含糖的和含脂肪的食物。我们认同这样的观点吗？为什么？二、应用题1.水稻、小麦、玉米的种子中含有大量的淀粉，马铃薯的块茎、莲的根状茎、甘薯的块根中也含有大量的淀粉，还有许多野生植物体内也存在着淀粉。下图为生产和生活中常用的将植物体内的大分子糖转化为葡萄糖的化学方法和生物方法。（1）上图中和代表的有机大分子分别是什么？自古以来，我国劳动人民就充分利用了生物方法制取所需的产品，例如，
50、有润肺止咳等功效的麦芽糖浆，是利用小麦、大麦等粮食糖化而成的产品。制造麦芽糖浆的过程与上图中的哪一过程相似？（2）在制纸时，传统的方法是先将收获的树皮浸泡在池塘中一段时间，然后取出再加工。用于加工的树皮的主要成分是什么？若用此材料生产葡萄糖，我们会选择上图中的哪种方法？为什么？（3）比较上图中制取葡萄糖的几种方法的不同点，我们认同“糖类既是细胞的重要结构物质，也是生命活动的主要能源物质”的说法吗？为什么？2.选育甘薯优良品种时，需要测定甘薯的糖含量。采用斐林试剂能鉴定甘薯所含糖的种类吗？采用苏丹染色液能检测甘薯中的脂肪吗？分别说明理由。淀粉盐酸、29.42 Pa、143 、pH 1.8葡萄糖（
