大学入試生物「窒素同化」植物の有機窒素化合物の合成方法

大学入試生物。今日は植物が窒素化合物からタンパク質をつくり出す「窒素同化」に焦点を当てて解説します。植物がどのようにアミノ酸を合成し、タンパク質をつくり出しているのか詳しくみていきましょう。

窒素同化とは？

窒素固定によって、空気中の窒素N₂が土壌中などに固定されることは学習しました。窒素固定細菌である根粒菌や、アゾトバクターやクロストリジウム、ネンジュモなどが窒素固定を行っていました。

その後は、植物が窒素固定によってつくられた、アンモニウムイオンNH₄⁺や硝酸イオンNO₃^–などを使って有機窒素化合物をつくりだすはたらきを「窒素同化」といいます。

窒素同化は次の手順で行われます。

1. 窒素固定
   根粒菌やアゾトバクター、クロストリジウムのはたらき
2. 硝化
   亜硝酸菌や硝酸菌のはたらき
3. 硝酸イオンの還元
   植物が行う
4. 窒素同化
   植物が有機窒素化合物を合成

硝化

植物が窒素固定を行うには、まず、硝化菌による硝化が必要になります。亜硝酸菌や硝化菌のはたらきによって、土壌中のアンモニウムイオンNH₄⁺は亜硝酸イオンNO₂^–、さらには硝酸イオンNO₃^–になります。

硝化菌は化学合成を行う細菌でしたね。植物はこの硝酸イオンを取り入れ窒素固定に利用します。植物の中には、アンモニウムイオンをNH₄⁺を直接吸収し利用するものもいますが、多くは硝化菌がつくりだした硝酸イオンNO₃^–を利用しています。

硝酸イオンの還元

植物は、根から窒素化合物を硝酸イオンNO₃^–の形で吸収します。硝酸イオンは植物の細胞内で次のように還元されます。

1. 硝酸イオンNO₃^–→亜硝酸イオンNO₂^–
2. 亜硝酸イオンNO₂^–→アンモニウムイオンNH₄^＋

還元してできたアンモニウムイオンを有機酸と反応させ、アミノ酸が合成されます。

窒素同化

窒素同化でアミノ酸が合成される様子は次の通りです。

1. グルタミン合成酵素のはたらきで、アンモニウムイオンNH₄⁺とグルタミン酸が反応してグルタミン酸が合成される。このときATPのエネルギーが必要になります。
2. グルタミン酸合成酵素のはたらきで、生じたグルタミンと有機酸の一種であるケトグルタル酸が反応し、グルタミンもケトグルタル酸もグルタミン酸になります。
3. 生じたグルタミン酸に含まれるアミノ基が、アミノ基移転酵素のはたらきで色んな種類の有機酸に移転され、色んな種類のアミノ酸が合成されます。

生じたアミノ酸は、ペプチド結合しタンパク質に合成に利用されます。その他にもアミノ酸は核酸やATP、クロロフィルなどの材料としても利用されます。