化学原理在高中生物学教学中的地位和作用

化学原理在高中生物学的学习中具有奠基的作用，当代生命科学之所以取得了较快的发展，在一定意义上是借助了化学原理和化学方法。20世纪以来生物学与化学的关系越来越密切，两个学科难解难分，呈现出相互促进的发展态势。下面仅以理科综合教学的事实为线索，阐述化学原理在高中生物学学习中的地位和作用。

1 以同位素标记法揭示生命活动规律

1.1 证明DNA分子的复制方式

DNA是生物的主要遗传物质，它之所以能在生物的亲代和子代之间保持相对的稳定性和连续性，与它能够进行自我复制有关。DNA分子的自我复制方式是半保留复制，即新形成的DNA分子中有一条链是原来的。而DNA分子的复制方式是通过对氮的同位素标记得以证明的。

1.2 证明生物膜在结构和功能上的有机联系

自然界中的H有3种同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是稳定的同位素，而氚具有放射性，能够发射负β射线。科学家在研究分泌蛋白的合成与分泌时，曾经做过这样一个实验：在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3 min后，被标记的氨基酸出现在附着有核酸体的内质网中，在17 min后出现在高尔基体中，117 min后出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白的小泡，以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。

1.3 证明光合作用释放的氧气来源

自然界中的O元素也有三种同位素，即16O、17O、18O。鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，通过质谱仪测定代谢物的质量后进行了分析，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。当然这个实验只是最初的结果。伴随着实验的持续，最后的结果应当是释放出的氧气，既来自H2O，也来自CO2，因为水是可以反复被利用的，光合作用和呼吸作用是密切相连的。

2 通过化学反应原理为生命起源提供生物化学进化上的证据

虽然目前人们对地球上最早的生命究竟是怎样起源的还没有弄清楚，但根据生物学的基本规律来推测，生命从简单到复杂、从低级到高级的发展趋势是确定无疑的。就是说在生命起源之前必定存在一个化学进化的阶段，最后才会演变为原始生命。

生成了氨基酸就可能生成蛋白质，也就有可能生成核酸。英国生物化学家桑格从1945年起开始研究肽链上氨基酸的排列顺序，然后研究了一种简单的蛋白质——牛胰岛素的结构，于1955年确定了牛胰岛素的结构，从而为胰岛素在实验室合成奠定了基础，并促进了蛋白质结构的研究。桑格因确定胰岛素的分子结构而获得1958年诺贝尔化学奖。

弄清楚了蛋白质的结构，就有希望合成蛋白质。世界上首先合成的蛋白质是只有8个氨基酸的催产素。我国科学工作者从1958年开始研究胰岛素的合成，大体经历3个步骤，终于1965年在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素。

20世纪60年代后桑格的工作转向核酸方面的研究，致力于对核糖核酸和脱氧核糖核酸结构的分析研究。他利用酶的生物活性，用生物学的处理方法，正确地确定了核糖核酸中每种碱基的排列顺序和脱氧核糖核酸中核苷酸的排列顺序。他还发展了脱氧核糖核酸的精确快速分析法。他用此法于1977年成功地测定了细菌病毒ФХ174脱氧核糖核酸分子的全部共5 386个核苷酸的排列顺序。桑格因设计出一种测定DNA内核苷酸排列顺序的方法而与W.吉尔伯特、P.伯格共获1980年诺贝尔化学奖。

莱文是美国生物化学家，1911年发现了两种不同类型的核酸：一种是核糖核酸，即RNA；另一种是脱氧核糖核酸，即DNA。后来知道这两种核酸除了所含的核糖不同以外，所含的有机碱基也不同。1934年莱文发现了核酸由四种核苷酸组成，每一个核苷酸由一个核糖（或脱氧核糖）、一个磷酸和一个有机碱基组成。他认为核苷酸的区别除了五碳糖以外，主要是碱基的区别。组成DNA的四种核苷酸的碱基是：腺嘌呤，简称A；胸腺嘧啶，简称T；胞嘧啶，简称C；鸟嘌呤，简称G。在RNA中，尿嘧啶取代了胸腺嘧啶，尿嘧啶的简称是U。莱文虽然发现了核酸的化学结构，但没有确定四种核苷酸以什么样的形式组成核酸分子。

3 以原子结构理论阐释复杂生命现象

3.1 衰老现象的阐释

对于人为什么会衰老，虽然到现在还没有找到最终的答案，但自由基理论给了一个比较满意的回答。自由基理论认为，当自由基产生以后，攻击和破坏细胞内执行正常功能的生物分子。在严重的情况下自由基在攻击生物膜的磷脂分子时，就可以产生同样的自由基。这些新产生的自由基又会去攻击其他分子，由此引起雪崩式的反应，对生物膜损伤很大。此外自由基还攻击DNA分子，可能引起基因突变；另外自由基还攻击蛋白质，致使蛋白质分子的活性下降，使细胞衰老。

那么自由基是怎样产生的呢，这要用化学理论来解释。人们通常把异常活泼的带电分子或基团称为自由基。在自由基中含有未配对的电子，因此表现出高度的活泼性。自由基产生的途径主要是：细胞在代谢过程中不断进行各种氧化反应，在氧化反应过程中很容易产生自由基；另外辐射及有害物质的入侵也能刺激细胞，产生自由基，比如水在电离辐射下便会产生自由基。因此可以用自由基理论来解释生命的衰老，而自由基的理论支撑是原子结构理论。

3.2 光反应机制的阐释

光反应主要包括2个过程，即水的光解和光合磷酸化。解释水在光下可以分解也有赖于原子结构理论。叶绿体的类囊体上的色素有两类：一类具有吸收和传递光能的作用，即大多数的叶绿素a、全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素；另一类是少数处于特殊状态的叶绿素a，这种叶绿素a一方面能吸收光能，另一方面能够转换光能。在光的照射下有吸收和传递光能的色素将吸收的光能传递给少数处于特殊状态的叶绿素a，使得这些叶绿素a被激发而失去电子。脱离叶绿素a的电子经过一系列的传递，最后传递给一种带有正电荷的有机物——NADP+（氧化型辅酶Ⅱ）。失去电子的叶绿素a转变成为一种强氧化剂，它可以从水中夺取电子，这样就迫使水分子氧化分解，生成氧分子和氢离子，这叶绿素a由于获得了电子而恢复稳定状态。这样，在光的作用下，少数处于特殊状态的叶绿素a，持续地丢失电子和获得电子，从而形成了电子流，使光能转化成电能。

4 通过化学反应方程式的计算定量某物质的存在

比如计算在酵母菌发酵过程中某物质的量。

【例题】 “在啤酒生产过程中，发酵是重要环节。生产过程大致如下：将经过灭菌的麦芽汁充氧，接入啤酒酵母菌菌种后输入发酵罐。初期酵母菌迅速繁殖，糖度下降，产生白色泡沫，溶解氧逐渐耗尽。随后酵母菌繁殖速度迅速下降，糖度加速降低，酒精浓度渐渐上升，泡沫不断增多。当糖度下降到一定程度后结束发酵。最后分别输出有形物质和鲜啤酒。根据上述过程回答以下问题：

（1） 该过程表明啤酒酵母菌异化作用的特点是________。

（2） 初期酵母菌迅速繁殖的主要方式是________。

（3） 经测定酵母菌消耗的糖中，98.5%形成了酒精和其他发酵产物，其余1.5%则用于________。

（4） 请写出由麦芽糖→葡萄糖→酒精的反应方程式。

（5） 如果酵母菌消耗的糖（设麦芽糖其分子量为342），有98.5%（质量分数）形成酒精（分子量为46.0）和其他发酵产物。设500 t麦芽汁，其中麦芽糖的质量分数为8.00%，发酵后最多能生产酒精浓度为3.20%（质量分数）的啤酒多少吨？

这是2001年理科综合（全国卷）的一道高考试题，该题目与化学知识的联系密切，这里至少包含两个化学知识点：（1） 化学反应方程式的书写；（2） 根据化学反应方程式来进行计算。

参考答案：

（1） 酵母菌的异化作用类型是既可以进行有氧呼吸也可以进行无氧呼吸，在氧气充足的情况下可以进行有氧呼吸，氧气不足时可以进行无氧呼吸

（2） 在氧气充足的情况下，酵母菌代谢能力增强，大量繁殖，而繁殖的主要方式是出芽生殖

（3） 1.5%的葡萄糖还要用于自身的代谢，即生长发育和繁殖

（4） C12H22O11+H2O→2C6H12O6 C6H12O6→2C2H5OH+2CO2

（5） 662（t）

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