ニトロゲナーゼ
1960年にCarnahanらによってC. pasteurianum無細胞標品による窒素固定反応に成功した。その後、モリブデン含有ニトロゲナーゼの精製を経て、ニトロゲナーゼが二つのComponent(ニトロゲナーゼ二量体およびニトロゲナーゼ還元酵素)によって機能することが明らかになった。その後の精力的な研究により、ニトロゲナーゼは下記の5成分の存在下にて窒素固定反応を行うことが示された。
電子供与体(フェレドキシン、フラボドキシン)
ニトロゲナーゼ還元酵素([4Fe-4S]クラスター)
ATPおよび2価金属イオン(マグネシウム、カルシウムなど)
ニトロゲナーゼ二量体(P-Cluster、FeMo-co)
電子受容体(窒素)
なお、上記の順序で電子伝達が行われる。以上5成分の窒素固定反応は下記の順序で行われる。
ニトロゲナーゼ還元酵素にATPおよびマグネシウムが結合し、複合体をとる。この時ニトロゲナーゼ還元酵素の標準酸化還元電位は-400 mV付近まで低下する。
電子供与体からニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体に電子伝達がおこなわれ、本複合体が還元される。
ニトロゲナーゼ還元酵素-MgATP複合体のATPが加水分解されより低電位の電子となる。結合しているATPはADPとなる。
ニトロゲナーゼ還元酵素-MgADP複合体の[4Fe-4S]クラスターを通じて、ニトロゲナーゼ二量体のP-clusterに電子伝達がおこなわれる。
ニトロゲナーゼ二量他のP-clusterからFeMo-coに電子伝達がおこなわれる。
FeMo-coが窒素を2電子還元するとN2H2を生じる。
FeMo-coがN2H2をさらに2電子還元するとN2H4が生じる。
ニトロゲナーゼは活性中心に含まれる金属の種類によって3つに分類される。主要なニトロゲナーゼ群はモリブデンを活性中心に有するモリブデン含有ニトロゲナーゼである。多くの窒素固定菌が本ニトロゲナーゼを有しており、自然界にて行われている窒素固定のほとんどは本酵素によるものと考えられている。残る二つの群はバナジウムおよび鉄をそれぞれ活性中心に含んでおり、それぞれバナジウム含有(Vanadium containing)ニトロゲナーゼおよび鉄型(Fe-only)ニトロゲナーゼと呼ばれている。バナジウムおよび鉄を含んでいるニトロゲナーゼは、その全体構造を含めてモリブデン含有ニトロゲナーゼとほぼ同一である。しかしながらその分布は著しく偏っており、モリブデン型が主要なニトロゲナーゼであるのに対して、バナジウムおよび鉄型ニトロゲナーゼは代替ニトロゲナーゼ(Alternative nitrogenase)と呼ばれている。下記に分布の例を挙げる。