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代謝（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校生物代謝（知識）

生物と窒素の関わりや、無機物の酸化を利用して有機物をつくる生物について述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。

ア　亜硝酸菌は、アンモニウムイオン（ $N H_{4}^{+}$ ）を亜硝酸イオン（ $N O_{2}^{-}$ ）に酸化するときに放出される化学エネルギーを利用して、二酸化炭素から有機物を合成する。
イ　硝酸菌は、硝酸イオン（ $N O_{3}^{-}$ ）を亜硝酸イオンに還元するときに放出される化学エネルギーを利用して、二酸化炭素から有機物を合成する。
ウ　植物が根から吸収した硝酸イオンは、植物体内で亜硝酸イオンを経てアンモニウムイオンに還元される。
エ　植物体内のアンモニウムイオンは、まずケトグルタル酸（ $α$ -ケトグルタル酸）と結合してグルタミンになる。
オ　根粒菌は、マメ科植物から光合成でつくられた有機物を受け取り、窒素固定によってつくったアンモニウムイオンをマメ科植物に与えている。
カ　ネンジュモなどのシアノバクテリアは、光合成を行うので、窒素固定は行わない。

この問題で使うもの

化学合成（説明と入口の問題）
窒素同化と窒素固定（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

化学合成細菌（亜硝酸菌・硝酸菌）が酸化する物質と生じる物質、窒素同化の反応の順序、窒素固定を行う生物の種類を整理しよう。

ヒント 2

化学合成細菌は無機物を「酸化」してエネルギーを得る。窒素同化では $N O_{3}^{-} \to N O_{2}^{-} \to N H_{4}^{+}$ と還元され、 $N H_{4}^{+}$ はアミノ酸の一つと結合してグルタミンになる。

ヒント 3

イは反応の向き、エは $N H_{4}^{+}$ が最初に結合する物質、カは窒素固定を行う生物の例に注目すると、それぞれ誤りかどうか判断できる。

答えと解説

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ア, ウ, オ

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各選択肢を順に検討する。

ア（正しい） 亜硝酸菌は化学合成細菌の一つで、 $N H_{4}^{+}$ を $N O_{2}^{-}$ に酸化し、そのとき放出される化学エネルギーで ATP などをつくり、 $C O_{2}$ から有機物を合成する（化学合成）。

イ（誤り） 硝酸菌は、亜硝酸イオンを硝酸イオンに酸化するときに放出される化学エネルギーを利用する（ $N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ ）。「硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元する」という反応の向きが誤りである。化学合成細菌は無機物を酸化して得たエネルギーを使う。

ウ（正しい） 窒素同化では、根から吸収された $N O_{3}^{-}$ が、硝酸還元酵素によって $N O_{2}^{-}$ に、さらに亜硝酸還元酵素によって $N H_{4}^{+}$ に還元される。

エ（誤り） $N H_{4}^{+}$ は、まずグルタミン酸と結合してグルタミンになる（グルタミン合成酵素）。その後、グルタミンとケトグルタル酸から 2 分子のグルタミン酸がつくられ、グルタミン酸のアミノ基がさまざまな有機酸に移されて（アミノ基転移）各種のアミノ酸ができる。「ケトグルタル酸と結合してグルタミンになる」の部分が誤りである。

オ（正しい） 根粒菌はマメ科植物の根に根粒をつくって共生し、大気中の $N_{2}$ を $N H_{4}^{+}$ に還元する窒素固定を行う。根粒菌はこの $N H_{4}^{+}$ を植物に与え、植物からは光合成でつくられた有機物を受け取る。

カ（誤り） ネンジュモなどの一部のシアノバクテリアは、光合成を行うとともに窒素固定も行う。「窒素固定は行わない」の部分が誤りである。窒素固定を行う生物には、根粒菌のほか、アゾトバクター、クロストリジウム、ネンジュモなどがある。

よって、正しいものはア, ウ, オである。

別解

各選択肢を検討する。
ア：正しい。亜硝酸菌（アンモニウムイオンを亜硝酸イオンに酸化）は化学合成細菌で、酸化で得た化学エネルギーを使って CO2 から有機物を合成する。
イ：誤り。硝酸菌は亜硝酸イオンを硝酸イオンに酸化する。「硝酸イオンを亜硝酸イオンに還元」は逆であり、化学合成の説明にもならない。
ウ：正しい。硝酸イオンは硝酸還元酵素により亜硝酸イオンに、さらに亜硝酸還元酵素によりアンモニウムイオンに還元される（硝酸同化）。
エ：誤り。アンモニウムイオンはグルタミン酸と結合してグルタミンになる（グルタミン合成酵素）。ケトグルタル酸と結合するのではない。ケトグルタル酸にアンモニウムイオンが結合するとグルタミン酸ができる経路もあるが、「まずグルタミンになる」は誤り。
オ：正しい。根粒菌はマメ科植物と共生し、光合成産物を受け取って窒素固定を行い、アンモニウムイオンを宿主に供給する。
カ：誤り。ネンジュモなどのシアノバクテリアは光合成を行い、かつ窒素固定も行う。
よって正しいのはア、ウ、オ。

$C O_{2}$ 濃度（%）	0.005	0.01	0.02	0.04	0.08
植物 P	12	30	45	45	45
植物 Q	$- 3$	6	20	33	45

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	a	b
ア	アンモニウムイオン	窒素同化
イ	アンモニウムイオン	窒素固定
ウ	亜硝酸イオン	窒素同化
エ	亜硝酸イオン	窒素固定
オ	アンモニウムイオン	脱窒
カ	亜硝酸イオン	脱窒