高中生物教案-第二节 组成生物体的化合物

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一、知识结构

二、教学目的

1.组成生物体的水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、核酸这几种化合物的化学元素组成、在细胞内的存在形式和重要的功能(C：理解)。

2.组成生物体的无机化合物和有机化合物是生命活动的基础(C：理解)。

3.各种化合物只有按照一定的方式有机地组织起来，才能表现出细胞和生物体的生命现象(A：知道)。

三、重点和难点

1.教学重点

组成生物体的无机化合物和有机化合物的化学元素组成，各种化合物在细胞中的存在形式和重要功能。

2.教学难点

(1)蛋白质的化学元素组成、相对分子质量、基本组成单位、分子结构和主要功能。

(2)核酸的化学元素组成、相对分子质量、基本组成单位和重要功能。

四、教学建议

本节的教学内容较多而时间又较紧，教师要注意合理分配时间，突出重点和难点。建议教师对水、无机盐、糖类和脂质的内容安排1课时，蛋白质和核酸的内容安排1课时，学生实验用1课时。

在本节教学的开始，教师可以利用教材中讲到的细胞内各种化合物的含量表，从整体上概括出构成细胞的化合物；指出生命的物质基础，是以蛋白质和核酸为主体的多分子体系。公务员之家，全国公务员共同天地

在讲授无机化合物水时，可以从水在细胞、组织中两种存在形式的分析入手，引出水的作用。引导学生理解水的含量与生命活动的状态密切相关。在讲述水时，要注意渗透出两种形式的水存在着动态转化，不能截然分开。如果能恰当地运用生活常识，说明水的存在状态和作用，将会更吸引学生，使学生加深对水的认识。

关于无机盐的教学，可以从学生已知的知识中提出问题，通过简明的分析，使学生懂得无机盐的存在形式和作用。例如，为什么在观察动物和人的细胞时，要用一定浓度的生理盐水?为什么长期缺乏铁会出现缺铁性贫血?从这些问题的分析过程中，归纳出无机盐对维持细胞形态、参与重要的物质组成等作用。

关于糖类的教学，应该尽量联系学生生活中经常接触的糖类物质，提高学生的学习兴趣，增加感性认识。在本节教学中，要注意适当突出后边将要应用的糖类知识，这样可以为进一步的学习打下知识基础。通过讲述糖类的水解作用，使学生理解单糖、二糖、多糖三者的区别和联系。关于糖类的作用，既要突出它是生命系统赖以维持的主要能源物质，又要点出它是细胞许多结构中不可缺少的成分。

关于脂质的教学，似乎可以渗透储存脂质(脂肪)、结构脂质(磷脂等类脂)、功能脂质(固醇)的提法，这样有利于学生对不同脂质的作用特点的理解。在学生条件较好的学校，可以分析一下磷脂分子的特点，为学习细胞膜的结构打下基础。

蛋白质的内容是本节教学的重点和难点。教师在讲述蛋白质的组成和结构时，可以按照以下教学思路来设计教学过程：①通过列举水、葡萄糖、几种蛋白质的相对分子量，使学生认识到蛋白质属于生物大分子；②指出对生物大分子结构的研究，常采取分层次认识的方法；③对蛋白质的组成和结构的教学，可从有关元素、基本单位──氨基酸、肽、肽链间的结合和卷曲、折叠而成的空间结构等几个层次逐步深入。

在讲述氨基酸时，可以从甲烷、乙酸、甘氨酸渐渐引入。随着羧基(－COOH)、氨基(－NH2)的出现，指出它们的化学特性。在认识了甘氨酸的基础上，再进一步变换R基，认识几种其他氨基酸。最后，归纳总结出氨基酸的共同点和区别。

在讲述肽时，要注意讲清缩合、肽键、二肽、多肽和肽链的概念。要指出每种多肽都具有特定的氨基酸种类、数目和排列顺序，这种特点决定着肽链的空间结构，从而为学生理解多肽间的区别和蛋白质的多样性打下基础。

对于蛋白质的空间结构，教师不必详细讲述，可以让学生通过对教材中某种胰岛素空间结构示意图的观察，了解蛋白质具有一定的空间结构就可以了。但是应该对学生指出，蛋白质的生理作用依赖于自身特定的空间结构。

在讲述蛋白质的功能时，应该注意从列举典型的、易于理解的例子中，概括出蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要成分和在生命活动中发挥的重要作用。

另外，关于蛋白质结构内容的教学，要充分利用剪贴图、投影片和教材中的示意图，来帮助学生理解动态的、抽象的知识内容。

关于核酸的教学，要注意处理好与《遗传与变异》一章有关内容的联系。本节对核酸化学元素的组成和基本组成单位的认识，可以从介绍分析生物大分子的方法入手，使学生初步了解核酸分子的元素组成、基本单位──核苷酸和多核苷酸链。应指出DNA和RNA两类核酸在组成上的区别和DNA的主要作用。

在本章的最后，教师要强调说明，任何一种化合物或几种化合物的混合都不能完成生命活动。细胞内的各种化合物必须按照一定的方式组成特定的结构，才能在生命活动中发挥作用。

五、参考答案

复习题一、③，①，④，②。

二、1.(A)；2.(A)；3.(D)。

三、1.因为这两种蛋白质的分子结构不同(即氨基酸的种类不同，排列次序不同，空间结构不同)，所以它们的功能也不相同。

2.细胞内的各种化合物必须按照一定方式组成特定的结构，才能在生命活动中发挥作用。

旁栏思考题老年人容易发生骨折是因为随着年龄的增长，机体代谢发生变化而导致骨质疏松造成的。骨质疏松主要是缺少了骨的重要成分碳酸钙。

临床上医生给病人点滴输入葡萄糖液，可以起到给病人提供水、营养和增加能量的作用。因为葡萄糖氧化分解时释放大量的能量，可以供给病人生命活动的需要，有利于早日康复。此外，细胞中水的含量最多。病人维持各项生命活动，绝对不能缺少水。

实验讨论题实验一1.某些化学试剂与生物组织中的有关有机化合物发生一定的化学作用后，能够生成新的化学物质，而这种化学物质是有固定的颜色的。根据实验中所产生的特定的颜色反应，如砖红色、橘黄（或红）色、紫色，可以分别鉴定生物组织中有糖、脂肪、蛋白质的存在。

六、参考资料

细胞的化学组成细胞中各种化合物的平均值如下表(表1-1)：

表1-1细胞中各种化合物的平均值

化合物

质量分数%

平均相对

分子质量

种类

水

85.0

1.8×10

游离形式的水和结合形式的水

蛋白质

10.0

3.6×104

清蛋白、球蛋白、组蛋白、核蛋白等

DNA

0.4

1.0×106

RNA

0.7

4.0×105

脂质

2.0

7.0×102

脂肪、磷脂等

糖类及其

他有机物

0.4

2.5×102

单糖、二糖、多糖等

其他

无机物

1.5

5.5×10

Na+、K+、Ca2+、Mg2+、

Cl-、SO42-、PO43-等

在组成细胞的各种化合物中，水是含量最多的物质，是生命活动的最重要的介质。地球表面出现了液态水时，才具备了生命发生的条件。但是，只有当原始地球的物质经过漫长的演变，出现了原始的核酸和蛋白质并且组合在一起，表现出原始的新陈代谢时，才开始出现原始的生命现象，产生了原始的生命。恩格斯早在一百多年前就已提出“生命是蛋白体的存在方式”。现代生物科学认为，承担生命的“蛋白体”主要是核酸和蛋白质的整合体系。因此说，细胞的主要成分是蛋白质和核酸。

水在生物体和细胞内的存在状态

1.结合水吸附和结合在有机固体物质上的水，主要依靠氢键与蛋白质的极性基(羧基和氨基)相结合形成亲水胶体。多糖、磷脂也以亲水胶体形式存在。这部分水不能蒸发、不能析离，失去了流动性和溶解性，是生物体的构成物。

2.自由水填充在有机固体颗粒之间的水分，可流动、易蒸发，加压力后可析离，是可以参与物质代谢过程的水。

水在生物体内的作用水是生命存在的环境条件，同时也是生活物质本身化学反应所必需的成分。水对于维持生物体的正常生理活动有着重要的意义，因此水是生物体内不能缺少的物质。

1.水是细胞内的良好溶剂生物体内的大部分无机物及一些有机物，都能溶解于水。水是物质扩散的介质，也是酶活动的介质。细胞内的各种代谢过程，如营养物质的吸收，代谢废物的排出，以及一切生物化学反应等，都必须在水溶液中进行。

2.水的其他作用①由于水分子的极性强，能使溶解于其中的许多种物质解离成离子，这样也就有利于体内化学反应的进行。②由于水溶液的流动性大，水在生物体内还起到运输物质的作用，将吸收来的营养物质运输到各个组织中去，并将组织中产生的废物运输到排泄器官，排出体外。③水的热容大，1g水从15℃上升到16℃时需要4.18J热量，比同量其他液体所需要的热量多，因而水能吸收较多的热而本身温度的升高并不多。水的蒸发热较大，1g水在37℃时完全蒸发需要吸热2.40kJ，所以人蒸发少量的汗就能散发大量的热。再加上水的流动性大，能随血液循环迅速分布全身，因此水对于维持生物体温度的稳定起很大作用。④水还有润滑作用。⑤对植物来说，水能保持植物的固有姿态。由于植物的液泡里含有大量的水分，因而可以维持植物细胞的形态而使枝叶挺立，便于接受阳光和交换气体，保证正常的生长发育。⑥对生物体的生命活动起重要的调控作用。生物体内水含量的多少以及水的存在状态的改变，都影响着新陈代谢的进行。一般情况下，生物体内的含水量在70%以上时代谢活跃；含水量降低，则代谢不活跃或进入休眠状态。当自由水比例增加时，生物体的代谢活跃，生长迅速；而当自由水向结合水转化较多时，代谢强度就会下降，抗寒、抗热、抗旱的性能提高。

无机盐无机盐在细胞中的含量虽然不多，却是生命活动所必需的。如果将一块组织放在蒸馏水中，从细胞中去掉盐类，该组织就会死亡。许多无机盐在细胞中呈离子状态存在。无机盐在生物体和细胞中的作用主要有以下几点。

1.是构成细胞或构成生物体某些结构的重要成分。

2.参与并调节生物体的代谢活动。有些无机离子是酶、激素或维生素的重要成分。例如，含锌的酶最多，已知有70多种酶的活性与锌有关；钴(Co)是维生素B12的必要成分，参与核酸的合成过程；铁(Fe)参与组成血红蛋白、细胞色素等，参与氧的运输和呼吸作用中的电子传递过程等。

3.维持生物体内的平衡。体内平衡是使细胞具有稳定的结构和功能，使生物能维持正常的代谢和生理活动的必要条件。有关体内平衡的内容很复杂，情况多变。其中的3个主要方面与无机盐含量的稳定密切相关。

(1)渗透压平衡：细胞内外的无机盐的含量是维持细胞渗透压的重要因素。

(2)酸度平衡(即pH平衡)：pH调节着细胞的一切生命活动，它的改变影响着细胞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的改变非常敏感，人体血浆pH降低0.5时，人就立即发生酸中毒。无机离子如HPO42-／H2PO4-和H2CO3／HCO3-等，组成重要的缓冲体系来调节并维持pH平衡。

(3)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，神经细胞就会失去稳定性，对于外来刺激就会过于敏感。

糖类的分布和功能糖类是生物体的主要能源物质和重要的组成成分，在自然界中分布极广，几乎所有的动物、植物、微生物的体内都有它，尤以存在于植物体内的为最多，约占植物体干重的80%。在植物体内，构成根、茎、叶骨架的主要成分是纤维素多糖。在植物种子或果实里的主要储存物质，如淀粉、蔗糖、葡萄糖、果糖等都属于糖类。在动物血液中的血细胞内，也有葡萄糖或由葡萄糖等单糖缩合成的多糖存在，在肝脏、肌肉里的多糖是糖元。人和动物的组织器官中所含的糖类，不超过身体干重的2%。微生物体内的含糖量约占身体干重的10%～13%，其中有的呈游离状态，有的与蛋白质、脂肪结合成复杂的物质，这些物质一般存在于细胞壁、黏液或荚膜中，也有的形成糖元或类似淀粉的多糖存在于细胞质中。

糖类的功能有以下几点。(1)糖类是生物体的主要能源和碳源物质：糖类物质可以通过分解而放出能量，这是生命活动所必需的。糖类还可以在生物体内转化成其他化合物(如某些氨基酸、核苷酸、脂肪酸等)，并提供碳原子和碳链骨架，是构成组织和细胞的成分。(2)糖类与生物体的结构有关：纤维素和壳多糖都不溶于水，有平坦伸展的带状构象，并且堆砌得很紧密，所以它们彼此之间的作用力很强，适于作强韧的结构材料。纤维素是植物细胞壁的主要成分。壳多糖是昆虫等生物体外壳的主要成分。细菌的细胞壁由刚性的肽聚糖组成，它们保护着细胞膜免受机械力和渗透作用的损伤。细菌的细胞壁还使细菌具有特定的形状。(3)糖类是储藏的养料：糖类以颗粒状态储存于细胞质中，如植物的淀粉、动物肝脏和肌肉中的糖元。(4)糖类是细胞通讯识别作用的基础：细胞表面可以识别其他细胞或分子，并接受它们携带的信息，同时细胞也通过表面上的一些大分子来表现其本身的活性。细胞与细胞之间的相互作用，是通过一些细胞表面复合糖类中的糖和与其互补的大分子来完成的。(5)糖类具有润滑保护作用：黏膜分泌的黏液中有黏稠的黏多糖，可以保护润滑的表面。关节腔的滑液就是透明质酸经过大量水化而形成的黏液。

磷脂和糖脂磷脂是构成生物膜的主要成分。它广泛分布在动植物组织中。磷脂在动物体内多存在于脑和神经组织中，在心脏和肝脏中的含量也不少；植物的种子中含磷脂也比较多，如大豆种子的磷脂达2%。磷脂大多不溶于丙酮，不溶于水，但像亲水胶体一样，能在水中膨胀并形成乳状液或胶体溶液。磷脂的种类很多，有卵磷脂、脑磷脂、神经磷脂等。

卵磷脂又称蛋黄素，大量存在于各种动物的组织和器官中，尤其在蛋黄、脑、肾上腺、红细胞中的含量较多。蛋黄中卵磷脂的含量可达8%～10%。许多种种子，如大豆、向日葵的种子也含有卵磷脂。

糖脂是一类具有一般脂质溶解性质的含糖脂质，包括脑糖脂、神经节糖脂、甘油醇糖脂等。

磷脂和糖脂都是构成生物膜的磷脂双分子层结构的基本物质，也是某些生物大分子化合物(如脂蛋白和脂多糖)的组成成分。

类固醇和固醇类固醇又称“甾族化合物”，是环戊烷多氢菲类化合物的总称，一般具有重要的生理作用，在自然界广泛分布，也有人工合成的。类固醇的主要种类和分布情况如下。

1.自然界存在的

(1)固醇类。固醇又称“甾醇”，是含羟基的环戊烷骈全氢菲类化合物的总称，以游离状态或同脂肪酸结合成酯的状态存在于生物体内，最重要的有胆固醇、豆固醇和麦角固醇(表1-2)。

表1-2固醇的主要种类和分布情况

类别

固醇名称

分布

动物固醇

胆固醇

脊椎动物体内

7-脱氢胆固醇

皮肤和毛发内

粪固醇

动物粪便中

植物固醇

麦固醇

麦芽中

豆固醇

大豆中

谷固醇

高等植物中分布很广

酵母固醇

麦角固醇

麦角、酵母菌和毒菌内

(2)固醇衍生物。常见的有：强心苷，如洋地黄毒素，存在于洋地黄植物的叶中，是一种强心药；蟾毒素，是蟾蜍分泌的毒素，可作药用；胆酸、胆汁酸组成的胆汁；肾上腺皮质激素、昆虫的蜕皮激素、性激素(包括雌激素、孕激素和雄激素等)，能调节动物和人体的新陈代谢及生殖、发育等生理活动。此外，维生素D有利于机体对钙、磷的吸收。肾上腺皮质激素、胆酸、性激素、维生素D等物质，在人体内都可以由胆固醇转化而来。

2.人工合成的类固醇药物如抗炎剂、促蛋白合成类固醇、口服避孕药等。

氨基酸的R基团每个氨基酸都有一个R基，R基也叫侧链基团，不同氨基酸的R基是不同的。例如，甘氨酸的R基只是一个氢原子；有些氨基酸的R基属于烃基；有些则含有某种官能团，如羟基(—OH)、巯基(—SH)、氨基(—NH2)、羧基(—COOH)等。

根据氨基酸所连接的R基化学结构的不同，可以将氨基酸分成脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环氨基酸、杂环亚氨基酸四大类。

甘氨酸惟一不含有不对称碳原子的最简单的非必需氨基酸。广泛存在于蛋白质中。

丙氨酸即L-α-氨基丙酸。一种属于丙酮酸代谢体系的非必需氨基酸。

蛋白质分子的结构通常将蛋白质的结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构(图1-1)。

图1-1蛋白质分子的一、二、三、四级结构示意图

1.蛋白质的一级结构：又称为初级结构或化学结构，是指蛋白质分子中，由肽键连接起来的各种氨基酸的排列顺序。目前可以运用氨基酸自动分析仪和氨基酸顺序自动分析仪，对蛋白质的一级结构进行测定。

2.蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。近些年来，通过研究知道，蛋白质分子的多肽链本身一般不是全部以松散的线形分子状态存在于生物体内的，而是部分卷曲、盘旋成螺旋状(一般呈所谓α螺旋)，或折叠成片层状(又称β折叠)，或呈β回折(发夹回折、U形转折)，或呈无规则卷曲。蛋白质的二级结构主要依靠氢键来维持结构的稳定性。

3.蛋白质的三级结构：具有二级结构的肽链，按照一定方式进一步卷曲、盘绕、折叠成一种看来很不规则，而实际上有一定规律性的三维空间结构，叫做三级结构。这些肽链所以会卷曲、盘绕、折叠，主要是因为肽链的侧链之间的相互作用。

4.蛋白质的四级结构：具有三级结构的蛋白质分子，通过一些非共价键结合起来，而成为具有生物功能的蛋白质大分子，就是蛋白质的四级结构。构成蛋白质功能单位的每条肽链，称为亚基。亚基虽然只具有二、三级结构，但是在单独存在时并没有生物活力，只有完整的四级结构才具有生物活力。例如，磷酸化酶是由2个亚基构成的，马血红蛋白是由4个不同的亚基(2个α肽链，2个β肽链)构成的，谷氨酸脱氢酶是由6个相同的亚基构成的。

有些蛋白质分子只有一、二、三级结构，并无四级结构，如肌红蛋白、细胞色素c、核糖核酸酶、溶菌酶等。另一些蛋白质则一、二、三、四级结构同时存在，如血红蛋白、谷氨酸脱氢酶等。

调节生理活动的许多激素是蛋白质从化学本质上看，人和动物的激素可以分为4类：①氨基酸衍生物激素(如甲状腺激素、肾上腺素、血清血管收缩素)；②肽和蛋白质类激素(如脑垂体激素、胰岛素、甲状旁腺素、生长素和促肾上腺皮质激素)；③类固醇激素(如肾上腺皮质激素、性激素)；④脂肪酸衍生物激素(如前列腺素)。

肽和蛋白质类激素，包括许多种激素。下面重点介绍胰岛素、生长素和促肾上腺皮质激素。

1.胰岛素：胰岛素是胰腺内的胰岛β细胞公务员之家，全国公务员共同天地所产生的一种激素。胰岛素是一种相对分子质量较小的蛋白质，在有锌和其他金属离子存在时，胰岛素分子可以围绕这些离子形成聚合体。在调节糖类、脂肪和蛋白质的代谢中具有十分重要的作用。

2.生长素：生长素是由脑垂体中腺垂体内的嗜酸细胞分泌的激素之一。它是一种多肽，能促进骨骼、肌肉、结缔组织和内脏的生长，使生物体长得高大；可以使氨基酸进入细胞的速度加快；可以促进DNA和RNA的合成；还能促进蛋白质的合成。

3.促肾上腺皮质激素：它也是腺垂体分泌的激素之一，也是一种多肽，能促进肾上腺皮质细胞的增殖，刺激肾上腺皮质激素的合成和分泌。