窒素同化と窒素固定

植物が吸収した $N O_{3}^{-}$ を $N O_{2}^{-}$ を経て $N H_{4}^{+}$ に還元し、 $N H_{4}^{+}$ がグルタミン酸と結合してグルタミンになり、アミノ基の転移でさまざまなアミノ酸がつくられること（窒素同化）と、根粒菌・シアノバクテリアなどが $N_{2}$ を $N H_{4}^{+}$ に変えること（窒素固定）について、正しい記述や空欄に入る語句を選べる

前提

代謝と ATP （高校生物代謝（知識））
窒素の循環（高校生物生態と環境（知識））

この技能までの道筋（7 技能）

算数中学高校大学大学院

読み込み中…

右端（太枠）がこの技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る（前提が先）

細胞のつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
植物のからだのつくり（中学理科生物分野の用語と知識）
光合成・呼吸・蒸散（中学理科生物分野の用語と知識）
代謝と ATP （高校生物代謝（知識））
生態系と物質の循環（中学理科生物分野の用語と知識）
生態系の構成と栄養段階（高校生物生態と環境（知識））
窒素の循環（高校生物生態と環境（知識））

説明

タンパク質・核酸・ATP・クロロフィルなど、生物のからだをつくる重要な物質の多くは窒素をふくむ有機物です。植物は、土の中の無機窒素化合物を取り込んでこれらの有機窒素化合物をつくります（窒素同化）。また、一部の細菌は、空気中の窒素 $N_{2}$ を直接取り込んでアンモニウムイオンに変えることができます（窒素固定）。この技能では、窒素同化の反応の順序と物質名、窒素固定を行う生物とその反応を整理し、正しい記述や空欄に入る語句を選べるようにします。

なぜそうしてよいのか

植物が根から吸収する窒素は、おもに硝酸イオン $N O_{3}^{-}$ です（アンモニウムイオン $N H_{4}^{+}$ も吸収します）。しかし、アミノ酸の中の窒素はアミノ基（ $- N H_{2}$ ）の形で、酸素と結びついた $N O_{3}^{-}$ とは状態が大きく異なります。そこで植物は、 $N O_{3}^{-}$ から酸素を取り去り水素を結びつける還元を段階的に行い、
$N O_{3}^{-} (硝酸イオン) \to N O_{2}^{-} (亜硝酸イオン) \to N H_{4}^{+} (アンモニウムイオン)$
の順に変えます。こうしてできた $N H_{4}^{+}$ は、そのままでは細胞にとって有害なので、すぐにアミノ酸の一種であるグルタミン酸と結合して、グルタミンになります。この反応には ATP のエネルギーが使われます。簡単な無機物から複雑な有機物をつくり、エネルギーを使う反応なので、窒素同化は同化の一種です。

グルタミンのもつ窒素は、有機酸に受け渡されてグルタミン酸がつくられ、グルタミン酸のアミノ基はさらにさまざまな有機酸に移されます（アミノ基の転移）。アミノ基を受け取った有機酸は、それぞれ別のアミノ酸になります。このように、いったんグルタミン酸・グルタミンに取り込まれた窒素が、アミノ基の転移によって配られることで、いろいろな種類のアミノ酸がつくられます。つくられたアミノ酸からはタンパク質がつくられ、また窒素は核酸・ATP・クロロフィルなどの材料にもなります。なお、動物は無機窒素化合物からアミノ酸をつくる窒素同化を行えないので、食物から有機窒素化合物を取り入れます。

空気の約 8 割は窒素 $N_{2}$ ですが、ほとんどの生物は $N_{2}$ を直接利用できません。 $N_{2}$ の 2 個の窒素原子は非常に強く結びついているからです。ところが、根粒菌・アゾトバクター・クロストリジウム・シアノバクテリア（ネンジュモなど）といった一部の細菌は、 $N_{2}$ を還元して $N H_{4}^{+}$ に変えることができます。これが窒素固定で、多くの ATP のエネルギーを使います。根粒菌はマメ科植物の根にできる根粒の中にすんでいて、つくった $N H_{4}^{+}$ 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っています。窒素固定でできた $N H_{4}^{+}$ は、その後、窒素同化の流れ（グルタミン酸と結合してグルタミンになる段階）に入っていきます。

手順

記述が窒素同化（ $N O_{3}^{-}$ や $N H_{4}^{+}$ からアミノ酸をつくる）か、窒素固定（ $N_{2}$ を $N H_{4}^{+}$ に変える）かを見分ける
窒素同化の還元の順序を確かめる: $N O_{3}^{-} \to N O_{2}^{-} \to N H_{4}^{+}$ （還元の向き。逆向きの $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ は硝化）
アミノ酸がつくられる流れを確かめる: $N H_{4}^{+}$ ＋グルタミン酸 → グルタミン（ATP を使う）→ グルタミン酸 → アミノ基の転移でさまざまなアミノ酸
窒素固定を確かめる: 行うのは根粒菌（マメ科植物の根粒）・アゾトバクター・クロストリジウム・シアノバクテリアなどの細菌で、 $N_{2} \to N H_{4}^{+}$ 。ATP を多く使う
物質の名前・反応の順序と向き・担う生物の組み合わせが正しいかを判定し、空欄の語句や正しい記述を選ぶ

例題

次の文中の空欄（ a ）〜（ c ）に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

植物は、根から吸収した硝酸イオンを、（ a ）を経てアンモニウムイオンに還元する。アンモニウムイオンは（ b ）と結合して（ c ）となり、その後、アミノ基の転移によってさまざまなアミノ酸がつくられる。

	a	b	c
ア	亜硝酸イオン	グルタミン	グルタミン酸
イ	亜硝酸イオン	グルタミン酸	グルタミン
ウ	窒素 $N_{2}$	グルタミン酸	グルタミン
エ	窒素 $N_{2}$	グルタミン	グルタミン酸

例題の解答

手順 1: 文は、植物が吸収した硝酸イオンからアミノ酸をつくる話なので、窒素同化である。

手順 2: 窒素同化の還元は $N O_{3}^{-}$ （硝酸イオン） $\to N O_{2}^{-}$ （亜硝酸イオン） $\to N H_{4}^{+}$ （アンモニウムイオン）の順なので、（ a ）は亜硝酸イオンである。 $N_{2}$ を $N H_{4}^{+}$ に変えるのは窒素固定であり、ここでは当てはまらない。よってウとエは誤り。

手順 3: $N H_{4}^{+}$ はグルタミン酸と結合してグルタミンになるので、（ b ）はグルタミン酸、（ c ）はグルタミンである。アは（ b ）と（ c ）が逆なので誤り。

手順 5: 組み合わせが正しいのはイである。

よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

窒素同化の順序を $N H_{4}^{+} \to N O_{2}^{-} \to N O_{3}^{-}$ としてしまう誤り。これは亜硝酸菌・硝酸菌による硝化の向きである。正しくは、植物の体内では $N O_{3}^{-} \to N O_{2}^{-} \to N H_{4}^{+}$ と還元される。
$N H_{4}^{+}$ がグルタミンと結合してグルタミン酸になるとしてしまう誤り。正しくは、 $N H_{4}^{+}$ ＋グルタミン酸 → グルタミンであり、この反応には ATP が使われる。
マメ科植物そのものが窒素固定を行うとしてしまう誤り。正しくは、窒素固定を行うのは根粒の中にすむ根粒菌で、マメ科植物は根粒菌がつくった $N H_{4}^{+}$ を受け取り、代わりに光合成でつくった有機物を根粒菌に与えている。
窒素固定でできるのは $N O_{3}^{-}$ である、または動物も窒素同化で無機窒素化合物からアミノ酸をつくれるとしてしまう誤り。正しくは、窒素固定は $N_{2} \to N H_{4}^{+}$ の反応であり、動物は窒素同化を行えず、食物から有機窒素化合物を取り入れる。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）

窒素化合物をまったく含まない砂を滅菌して植木鉢に入れ、ダイズまたはイネの種子をまいて、次の表の条件で同じ期間育てた。「根粒菌」の欄は根粒菌を砂に加えたかどうかを、「窒素化合物」の欄は水に窒素化合物（硝酸塩）を溶かして与えたかどうかを表す。光・温度・水の量・窒素以外の養分などの条件は、すべて同じである。

実験	植物	根粒菌	窒素化合物	結果
1	ダイズ	加えた	与えなかった	よく育ち、根に根粒ができた
2	ダイズ	加えなかった	与えなかった	あまり育たず、根粒はできなかった
3	ダイズ	加えなかった	与えた	よく育ち、根粒はできなかった
4	イネ	加えた	与えなかった	あまり育たず、根粒はできなかった

この実験の結果から考えられることとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

ア　ダイズは、根粒菌がいなくても空気中の窒素を直接取り入れて窒素化合物をつくれる
イ　ダイズが成長するためには、窒素化合物は必要ない
ウ　根粒菌は、植物の種類によらず、どの植物の根にも根粒をつくる
エ　ダイズは、根粒菌と共生すると、窒素化合物を与えなくても成長に必要な窒素を得られる

この技能を使う問題

難易度 2（教科書の章末問題レベル）

次の文章中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜カから 1 つ選べ。

植物は、根から吸収した硝酸イオン（ $N O_{3}^{-}$ ）を、葉などの細胞内で還元して（ a ）にする。（ a ）はグルタミン酸と結合してグルタミンとなり、これをもとにさまざまなアミノ酸がつくられる。一方、マメ科植物の根に共生する根粒菌は、大気中の窒素（ $N_{2}$ ）を取り込んで（ a ）に変えることができる。このように、 $N_{2}$ を（ a ）に変えるはたらきを（ b ）という。

	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

難易度 3（共通テストレベル）
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。