新宿3丁目交差点（新宿追分）でかつての甲州街道は南に分かれ、ここからは青梅街道となる。この区間は新宿繁華街の中心部を貫く目抜き通りであり、休日は歩行者天国となる。大型の商業施設としては、新宿3丁目交差点周辺には複数の新宿マルイの店舗があり（マルイアネックス・マルイワン・新宿マルイ本館）、交差点の北西には伊勢丹新宿本店が聳える。交差点南西側には三越新宿店があったが、新宿三越アルコット店への転換を経て2012年に83年の歴史に幕を下ろし、ビックカメラとユニクロの合同店舗であるビックロがオープンした。新宿を代表する老舗として、通りの北側には紀伊國屋書店本店（1927年（昭和2年）創業）、南側には果物店・フルーツパーラーの新宿高野（1885年（明治18年）創業）と、レストラン新宿中村屋（1909年（明治42年）新宿開店）がある。新宿駅東口交差点を過ぎたところに新宿アルタがあるが、この場所には1978年（昭和53年）まで、食品専門の百貨店「二幸」があった。左手に新宿駅東口の駅ビルであるルミネエスト新宿を見ながら新宿通りは北に向きを変え、終点の新宿大ガード東交差点に至る。交差点正面には西武新宿駅ビルがあり、西武新宿線西武新宿駅、PePe西武新宿、新宿プリンスホテルが入っている。新宿大ガード東交差点を東に進むと靖国通り、西に進み新宿大ガードをくぐると現在の青梅街道である。
この区間もかつての甲州街道に当たる。以前は全区間が国道20号に指定されていたが、四谷4丁目交差点 - 新宿3丁目交差点間は、1991年（平成3年）に新宿通りの南側に並行して新宿御苑トンネルが開通したことから、東京都道430号新宿停車場前線に降格、その後さらに新宿区道となった。四谷見附より西では、新宿通りの地下を東京メトロ丸ノ内線が走り、四谷三丁目駅、新宿御苑前駅、新宿三丁目駅が置かれてれている。外苑東通りと交差する四谷3丁目交差点にある四谷消防署には消防博物館が併設されており、四谷4丁目交差点手前には駐日韓国大使館 韓国文化院がある。四谷4丁目交差点は、現在は新宿通り、甲州街道（新宿御苑トンネル）、外苑東通りの交差する五叉路であるが、江戸時代には甲州街道を通って江戸に出入りする人や荷物を監視する四谷大木戸があった。交差点近くの四谷区民センター前に四谷大木戸門跡の碑が立っている。新宿御苑は、四谷4丁目交差点から新宿二丁目交差点にかけて、新宿通りの少し南側に広がっている。新宿2丁目交差点では明治通りのバイパスである御苑大通りと呼ばれる道路と交差する。この道路は新宿6丁目交差点 - 新宿御苑間が戦後東京都市計画道路幹線街路環状第5ノ1号線として整備された。新宿御苑より南側の区間は長らく未整備であったところ、新宿御苑の地下を2層式のトンネルで通過することに決まり、2010年度末着工し2016年度に開通予定である。新宿3丁目交差点は甲州街道と青梅街道が分かれるかつての新宿追分であり、甲州街道が南に移った現在でも地上では新宿通りと明治通りが交差し、地下では新宿三丁目駅において東京メトロ丸ノ内線・東京メトロ副都心線・都営地下鉄新宿線の3線が接続する、交通の要衝である。
バクテリアルシフェラーゼもまた、古くから知られている。バクテリアルシフェラーゼは還元型のフラビンモノヌクレオチド（FMN）と単純な直鎖状アルデヒドが発光反応に関与する。アルデヒド合成酵素が欠損した発光バクテリア株を用いた実験で、炭素鎖14のテトラデカナールに特異的に強く発光することから、ミリスチル酸から還元反応で合成されるテトラデカナールが天然のバクテリアルシフェリンであることを明らかとされている。バクテリアルシフェラーゼはまず、還元型FMNと結合し、分子状酸素との反応でペルオキシド中間体を生成する。次に直鎖状アルデヒドがペルオキシド中間体との反応でペルオキシヘミアセタールとなる。このペルオキシヘミアセタールの分解で、励起分子が生成される。この励起分子の蛍光極大波長が、バクテリアルシフェラーゼの発光極大波長である490 nmと一致した。発光反応の生成物である脂肪酸や酸化型FMNは、還元酵素により還元され、再利用される。1955年に精製され、1972年には、ルシフェラーゼは沈降係数から、αとβのサブユニットからなるヘテロ二量体であることが確認されている。αとβはそれぞれ40、37 kDa程度である（由来する発光バクテリア種により、多少異なる）。ルシフェラーゼをプロテアーゼ処理すると、活性がなくなることが報告され、この際にαサブユニットが切断されている事が確認されている。すなわち、活性中心はαサブユニットに存在することが推定された。2009年にFMNとの複合体結晶が得られ、構造解析がなされた（Biochemistry誌）。その結果、活性部位はαサブユニットに存在することが証明された。バクテリアルシフェラーゼには、発光反応中にルマジンタンパク質（LumP）やYFP（オワンクラゲ由来GFPの改変タンパク質ではない）といった蛍光タンパク質が存在することで、それぞれ発光色が緑から、青（LumP存在時）あるいは黄色（YFP存在時）に変調することが知られている。しかし、その詳細なメカニズムは知られていない。発光バクテリアにおいて、ルシフェラーゼは自己誘導と呼ばれる特徴的な合成方法をとっている。発光バクテリアは、互いに存在を認識するためにオートインデューサーと呼ばれる伝達物質を産生している。このオートインデューサーは、バクテリアが増殖している間に、培地に蓄積する。そして、オートインデュサーがある濃度を超えると、バクテリアは菌体数が増えたことを察知し、ルシフェラーゼの誘導が起こる。このように、ある能力を発揮する際に、密度依存性がある機構をクオラムセンシングと呼び、発光バクテリアだけでなく、様々な細菌に見られる特徴である。