窒素固定菌
ニトロゲナーゼをもつ生物はすべて窒素固定菌に分類される。大部分はバクテリアだが、一部古細菌も含まれる。ニトロゲナーゼには3つのグループがあり(Nif, Vnf, Anf)、それぞれ酵素反応はモリブデン、バナジウム、鉄に依存している。これらの酵素はすべて互いに相同で、すなわち窒素固定の起源はただ一つと推測される。窒素固定に最低限必要な遺伝子の数は6つと推測されている(nifHDKENB)。
窒素は地球上の大気の主要構成要素であるが、そのままでは不活性な気体である。この窒素ガスは窒素固定菌により生物に利用可能な形(アンモニア)に変換される。生体内においては、有機物中の窒素のアンモニア化、アンモニアを硝酸まで酸化する硝化過程、硝酸塩を気体の窒素まで還元する硝酸還元(脱窒)過程などとともに、窒素循環の一部を成している。
窒素固定菌の一種として根粒菌が知られ、ニトロゲナーゼと呼ばれる酵素によって大気中の窒素を還元してアンモニア(NH3)に変換する。固定反応は次式のように表される。
N2 + 8H + 8e + 16 ATP → 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi
直接の反応生成物はアンモニアであるが、これはすぐにイオン化されてアンモニウム(NH4)になる。ニトロゲナーゼで作られたアンモニウムは、グルタミンシンセターゼ/グルタミン酸シンターゼ経路によって同化され、グルタミン酸塩となる。また、亜硝酸菌や硝酸菌といった硝化細菌の存在下では、最終的にアンモニウム塩は硝酸塩として、植物が利用できる形になる。
また、シロアリの体内共生菌には窒素を固定する種が含まれる。