Nitrogenase (КФ 1.18.6.1) — фермент, используемый организмами для фиксации атмосферного азота (N 2). Атмосферный азот в форме N 2 относительно инертный благодаря своему тройном связи. Поэтому фермент требует много химической энергии, освобождается за счет гидролиза АТФ и восстановления таких агентов, как дитионит (обычно in vitro) или ферродоксин in vivo. Продуктом реакции обычно являются аммиак, который сразу объединяется с глютаматом, формируя глютамин. Фермент состоит из гетеротетрамеру белка MoFe, который на короткое время связывается с гомодимерним белком Fe. Нитрогеназа приобретает восстановительных свойств когда она заьязуеться с восстановленным и связанным с нуклеотидом белком Fe. Гетерокомплекс проходит через цикл ассоциации и дисоциации чтобы перенести один электрон, является ограничивающим шагом процесса. Процесс требует много энергии, требуя наличия донора электрона и АТФ для обеспечили восстановительных свойств. Точный механизм катализа все еще неизвестен из-за трудностей в получении кристаллов нитрогеназы со связанным азотом, так как в свободном состоянии белок MoFe не связывает азот, а сам процесс работы фермента требует как минимум трех переносов электрона на один катализ. Нитрогеназа может связывать ацетилен и угарный газ, которые является неконкурентным субстратом и ингибитором фермента соответственно. Газообразный азот, однако, является конкурентоспособным субстратом для ацетилена, так как он предотвращает связывание ацетилена и, кроме того, ацетилен требует только один электрон для восстановления.

Все нитрогеназы имеют кофакторы с атомами серы и железа, которые включает гетерометал в активном сайте. В большинстве, гетерометалом является молибден, хотя в некоторых видах вместо него используется ванадий или железо.

Благодаря окислительным свойствам кислорода, большинство Нитрогеназа безвозвратно ингибируются кислородом (O 2), который навсегда окисляет FE-S кофакторы. Поэтому фиксация азота требует механизмов избежания кислорода in vivo. Несмотря на эту проблему, многие организмы используют кислород в качестве терминального акцептора электрона для дыхания. Один известный исключение — недавно обнаружена Нитрогеназа бактерии Streptomyces thermoautotrophicus, способна работать при наличии кислорода. Кроме того, Azotobacteraceae известны своей способностью использовать киснечутливу Нитрогеназа при аэробных условиях. Эта способность ранее приписывалась высокой скорости метаболизма, позволяет восстановления кислорода на мембране, но идея оказалась необоснованной и невозможной при кислородных концентрациях более 70 мкм (обычная естественная концентрация — 230 мкм O 2) и во время ограничения питательных веществ.

Реакция, которую катализирует этот фермент, следующая:

N 2 + 8H + + 8e — + 16 ATP → 2NH 3 + H 2 + 16ADP + 16 Pi

Группы организмов и клетки, содержащие Нитрогеназа, включают (эти группы перекрываются):

  • Диазотрофы
  • Гетероцисты
  • Azotobacteraceae
  • Клубеньковые бактерии
  • Frankia