ニトロゲナーゼ
ニトロゲナーゼ (nitrogenase, EC 1.18.6.1) はリゾビウム (Rhizobium) 属(根粒菌)など窒素固定を行う細菌が持っている酵素。大気中の窒素をアンモニアに変換する反応を触媒する。全体構造は活性中心を有するニトロゲナーゼ二量体およびニトロゲナーゼ二量体に電子を供与するニトロゲナーゼ還元酵素からなる。極めて酸素に弱く、酸素に触れると数分間で不可逆的に失活する。そのため、本酵素を有する生物にはそれぞれ空気中の酸素からニトロゲナーゼを隔離する機構が見られる。
FeMo-coがN2H4をさらに2電子還元すると2アンモニアが生じる。
窒素の還元を行っている際、同時にプロトンも還元し、水素が発生する。
以上の反応の化学量論式は以下のとおりである。
ニトロゲナーゼ還元酵素 + 2Mg + 2ATP → ニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体(酸化型)
2ニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体(酸化型) + 2e → 2ニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体(還元型)
2ニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体(還元型) + 2ATP → 2ニトロゲナーゼ還元酵素-MgADP複合体(酸化型) + 2ADP + 4Pi + 2e
1[4Fe-4S]クラスター(酸化型) + 2e → 1[4Fe-4S]クラスター(還元型)+ 1P cluster(酸化型) → 1[4Fe-4S]クラスター(酸化型) + 1P cluster(還元型)
1P cluster(還元型) + 1FeMo-co(酸化型) → 1P cluster(酸化型) + 1FeMo-co(還元型)
1FeMo-co(還元型) + N2 → N2H2
(1~5の2回目サイクル)1FeMo-co(還元型) + N2H2 → N2H4
(1~5の3回目サイクル)1FeMo-co(還元型) + N2H4 → 2NH3
2H + 2e + 4ATP + 4H2O → H2 + 4ADP + 4Pi
なお、FeMo-co活性中心における窒素固定反応スキームについてはいまだ決定打が出ていない。現在のところFeが触媒となる経路や、[Mo-3Fe-3S]および[4Fe-3S]のクラスターをつなぐ窒素原子が触媒となる経路、あるいはモリブデンが触媒部位となる経路など4つのスキームが提案されている。