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高一生物集体备课

第2章第5节 细胞中的无机物

教学目标

1.知识与技能

(1)说出水在细胞中的存在形式和作用。

(2)说出无机物在细胞中的存在形式和主要作用。

2.过程与方法

(1)尝试进行自主个性化的学习。

(2)运用互联网、图书、杂志进行资料的收集和整理。

(3)尝试将你所获得的信息表达出来。

(4)尝试进行科普写作。

3.情感态度与价值观 (1)参与小组合作与交流。

(2)体验与你的同学分享通过自己的努力所获得的知识。

(3)认同“细胞是多种元素和化合物构成的生命系统”。

教学重难点

重点:水和无机盐在细胞中的存在形式和作用。

难点:水的存在形式,结合水与自由水的区别。

教学过程

【导入】导入

1.情境创设

学生对于水的认识比较丰富,许多概念来自生活中的经验,但是站在活细胞的角度去看,学生的认识还有需要补充、纠正和待完善的地方。因此教师在教学时可以从学生熟悉的事实切入,吸引学生的注意力。教师可以查找有关资料,如一个人在极限状况下,可以坚持20 d以上不进食,但是缺水不能超过1 d;地球表面约3/4的部分是水;细胞内含量最多的化合物是水;许多国家的科学家都在为寻找火星上的水而努力工作,既有成效又有争议。这些事实说明水对于生命的重要性。究竟水在细胞和生物体中具有什么样的功能呢?由此引入新课的学习。同时利用课本上的问题探讨,将学生带到对水的内容的学习中。

【讲授】讲授

[师生互动]

(一)细胞中的水

1.水在生物体中的含量

对绝大多数生物来说,没有水就不能存活。地球上如果没有水,也就没有生命。最早的生命也是在水中诞生的。水在细胞中含量是最多的。在不同种类的生物体中,水的含量差别较大,生物体中水的含量为60%~95%。如,幼嫩植物体中水的含量约为70%,动物体中水的含量约为80%左右。

一般来说,①水生生物的含水量大于陆生生物的含水量,例如,水母的身体里水的含量竟约为97%(显示水母的图片)。②幼年生物的含水量要大于老年生物的含水量(显示幼儿与老人的图片),所以人体老化的特征之一是身体细胞含水量的下降。③同一生物在生长发育的不同时期,含水量也是不相同的。在不同的组织、器官中,水的含量也不相同。例如,血液含水83%、肌肉含水76%、骨骼含水约25%、牙含水10%、唾液含水99.5%、脂肪组织含水20%左右,因此成人中肌肉发达而体型消瘦的人其水分所占比例高于体脂多的胖体型者。

水在生物体的含量这么高,我们平时似乎并不觉得,那水是以怎样的形式存在于生物体内的呢?

2.水在细胞中的存在形式

水在细胞中以两种形式存在。一部分水与细胞内的其他物质相结合,叫做结合水。结合水是细胞结构的重要组成成分,大约占细胞内全部水分的4.5%。细胞中绝大部分的水以游离的形式存在,可以自由流动,叫做自由水。

自由水大家是好理解的,它是可以流动,可以蒸发,可以离析的水分子,那么结合水具体是怎么回事呢?

结合水是在生物体内或细胞内与蛋白质、多糖等物质以氢键的形式相结合形成水胶体(亲水力蛋白质强于淀粉,淀粉强于纤维素),失去流动性,含量比较稳定,不易散失。结合水是细胞结构的重要组成成分,不能溶解其他物质,不参与代谢作用。结合水赋予各种组织、器官一定形状、硬度和弹性,因此某些组织器官的含水量虽多(如人的心肌含水79%),仍呈现坚韧的形态。

图2-5-1  氨基、羧基、羟基等均可与水结合,成为结合水

下面我们通过几道习题来区分两者:

(1)下列属于结合水的是

A.血液中的水                                                       

B.细胞液中的水

C.干种子细胞中的水                                       

D.蒸腾作用散失的水

答案:C

(2)心肌的含水量为79%而呈坚韧的形态,血液的含水量为82%则是流动的液态,对这两种形态差异正确的解释是:(心肌中的是结合水,而血液中的是自由水)

自由水和结合水在一定条件下可以相互转化,当生命活动旺盛时,结合水向自由水转化,反之,当生命活动缓慢时,自由水向结合水转化。自由水含量少时生命活动缓慢,有利于保存,例如:种子要晒干来保存。反之为了使种子萌发,要先将种子浸泡在水中一段时间,让种子吸水,增加自由水的含量。

(3)下列结合水相对含量比较多的是

A.休眠的大豆子叶细胞                                         

B.休眠的玉米胚乳细胞

C.洋葱的分生细胞                                                

D.成熟西瓜的果肉细胞

自由水多代谢旺盛,显然C、D可以排除,休眠的细胞自由水少,代谢很弱,结合水是指与细胞内的亲水物质相结合的水,纤维素、淀粉、蛋白质,都是亲水物质,亲水力蛋白质强于淀粉,淀粉强于纤维素。大豆子叶细胞中蛋白质含量相对比较高,玉米的胚乳,淀粉含量相当高,因为蛋白质的亲水能力强于淀粉的亲水能力,所以休眠的大豆子叶细胞中,结合水的含量相对比较高,所以答案应该是A。

3.水的重要作用

水在生物体中的含量最多,自然也有其重要的意义:水是生命起源的先决条件,没有水就没有生命。世界上最早的生命就是在逐渐冷却的海洋里由蛋白质和其他化合物产生出来的。植物也起源于水中,后来其中的一部分才逐渐进化为陆生植物。植物的一切正常生命活动都必须在细胞含有一定的水分状况下才能进行。天然植被的分布主要受供水情况所控制。农作物产量对供水的依赖性也往往超过了任何其他因素。“有收无收在于水”和“水利是农业的命脉”的道理就在这里。

(1)自由水是细胞内生化反应的良好溶剂:水分子具有极性,是自然界中能溶解物质最多的良好溶剂。(水的介电常数是溶液中最高的,这就意味着按单位容计算,没有任何溶剂能比水溶解更多的种类和数量的溶质,所以水成为最理想的生物溶剂)动植物体内的各种生理生化过程,如矿质元素的吸收、运输,气体交换,光合产物的合成、转化和运输以及信号物质的传导等都需以水作为介质。

(2)运输营养和废物:水在生物体内的流动(如血液),可以把其中溶解的营养物质运输到各个细胞,同时又把细胞代谢产生的废物运送到排泄器官或者直接运输到体外。

(3)结合水是组成细胞的成分:结合水通过氢键与蛋白质或多糖结合,成为细胞成分的一部分。

(4)自由水作为反应物参与细胞内一些反应:水是光合作用的原料。在呼吸作用以及许多有机物质的合成和分解过程中都有水分子参与。没有水,这些重要的生化过程都不能进行。

根据自己已有的知识和生活经验,你还能举出哪些实例,说明生命活动离不开水?(学生讨论)

①在正常情况下,一个人一天需要2千克水。当人体失去6%的水分时,就会出现口渴、尿少和发烧等症状。

②当人体失水10%~20%时,就会出现幻觉,甚至死亡。对人来说,水比食物还要重要。一个人在饥饿时,可以损失40%的体重而不致毙命,但是如果损失了20%的水分,就能死亡。

③水在机体内还具有润滑剂的功能,如关节液。没有唾液不能进行吞咽动物。

④许多动植物的受精作用都离不开水。精子的移动离不开水,一些昆虫和蛙的受精卵要在水里发育。

⑤……

(二)细胞中的无机盐

初中我们做实验,将骨和小麦的种子烧尽,最终都会得到一些灰白色的灰烬,请问这些灰烬是什么呢?

学生:是无机盐。

1.无机盐在细胞中的存在形式:

细胞中大多数无机盐以离子的形式存在,含量较多的阳离子有:Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等。阴离子有Cl-、SO 、PO 、HCO 等。

细胞中无机盐的含量虽少,比水远远要少,只占1%~1.5%,那无机盐在生物体内有什么作用呢?

2.无机盐在细胞中的作用:

课本P35思考与讨论:

(1)为什么缺铁会导致贫血呢?

学生:血红蛋白是一种红色含铁的蛋白质,是红细胞的主要成分,功能是运输氧气和一部分二氧化碳。血红蛋白中的铁是二价铁离子,对人来说,小肠也只吸收二价铁离子,对三价铁离子是不吸收的。没有Fe2+就不能合成血红蛋白,人就会患缺铁性贫血。

(2)植物体缺镁会影响光合作用,为什么?

学生:叶绿素是绿色植物进行光合作用的色素,它能吸收光能用于光合作用。绝大多数植物叶片的颜色是绿色的,这是叶绿素显现的颜色。没有Mg2+就不能合成叶绿素,植物的叶片就会发黄,影响到光合作用的正常进行。

(3)为什么现在许多食盐都是加碘盐呢?

学生:人缺碘会引起大脖子病(甲状腺肿大),如果幼年时缺碘,造成甲状腺素合成不足,继而还会引起大脑发育落后,出现呆小症。调查显示,我国普遍缺碘,因此要求在食盐中加碘来补充碘的不足。

(4)你还能想到人体缺哪些无机盐会引起疾病吗?

学生:缺钙会引起佝偻病。血钙太低还可能会引起抽搐。

(5)为什么老年人容易骨折而青少年的骨容易变形?

学生:骨是由有机物和无机物构成,骨的有机物使骨具有韧性,而使骨具有硬度,骨整体的弹性和硬度也就是由这两种化学成分的比例而决定。骨中有机物与无机物的比率会随着年龄的改变而发生变化,成年人的骨含有2/3的无机物和1/3的有机物,这样的比率使骨有最大的坚固性。根据力学测定,每平方厘米的股骨能承受170至220千克的抗压(缩)强度(轴向)。由于儿童的骨是有机成分大而无机成分小,故硬度差,但韧性及可塑性大。虽然不易骨折,但却容易弯曲变形。因此,儿童应特别注意良好的坐立姿势。反之,老年人骨中的无机物随年日而增多,有机物却相对地减少,所以骨较脆而易折断,而且不易愈合。因此,老年人不宜从事太过剧烈和幅度大的活动。

(6)初中提过无机盐对植物有哪些作用呢?

学生:含氮的无机盐促进细胞分裂和生长,使枝叶繁茂。

含磷的无机盐促进幼苗发育和花开放,果实种子提早成熟。

含钾的无机盐使植物茎秆健壮,促进淀粉的形成。

[教师精讲]

从大家的讨论我们也可以看出,无机盐对生物体来说也是具有重要作用的,下面我们来归纳一下:

(1)组成细胞中的化合物:例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和牙齿中的重要成分。

(2)维持细胞和生物体的生命活动:例哺乳动物的血液中必须含有一定量的钙盐,如果血液中钙盐的含量太低,这种动物就会出现抽搐。

(3)维持生物体内的平衡:渗透压的平衡:细胞内外无机盐的含量是维持原生质渗透压的重要因素。

酸度平衡(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组成物的所有特性以及在细胞内发生的一切反应。例如:各种蛋白质对于pH的改变异常敏感,人体血浆pH降低0.5个单位,立即发生酸中毒。无机离子如HPO /H2PO 和H2CO3/HCO 等组成重要的缓冲体系来调节并维持pH平衡。

离子平衡:动物细胞内外的Na+/K+/Ca2+的比例是相对稳定的。细胞膜外Na+高、K+低,细胞膜内K+高、Na+低。K+、Na+这两种离子在细胞膜内外分布的浓度差,是使细胞可以保持反应性能的重要条件。此外,在细胞膜外Na+多Ca2+少时,神经细胞会失去稳定性,对于外来刺激会过于敏感等等。

[评价反馈]

1.某地区晒干的小麦种子的含水量约为14%,此时活细胞内水分

A.全部为自由水           B.全部为结合水          

C.主要为自由水           D.主要为结合水

2.在患急性肠炎时,要及时注射生理盐水;不慎外伤后要用0.9%的盐水清洁伤口;在高温作业时,要喝淡盐水。以下各项中属于以上三种做法的主要原因依次是

①消毒  ②维持水分代谢的平衡  ③维持无机盐代谢的平衡  ④降温  ⑤是细胞的等渗溶液并有清洁作用

A.①②④             B.③②⑤         C.②⑤③         D.②③④

参考答案:

1.D  2.C

课后小结

[课堂小结]

到这里,我们就讲完了细胞内的六大类化合物。总结一下:细胞是多种元素和化合物构成的生命系统。C、H、O、N等化学元素在细胞内含量丰富,是构成细胞中主要化合物的基础。以碳链为骨架的糖类、脂质、蛋白质、核酸等有机化合物,构成细胞生命大厦的基本框架;糖类和脂肪提供了生命活动的主要能源;水和无机盐与其他物质一道,共同承担起构建细胞、参与细胞生命活动等重要生理功能。活细胞中的这些化合物,含量和比例处在不断变化之中。但又保持相对稳定,以保证细胞生命活动的正常进行。


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