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本酶催化的反应为4 Reduced Flavodoxin + N2 + 16 ATP + 16 H2O = 4 Oxidized Flavodoxin + H2 + 2 NH3 + 16 ADP + 16 Phosphate，系统名称为Reduced Flavodoxin:dinitrogen Oxidoreductase (ATP-Hydrolysing)，需要Mg2+。它由两个可分离但均为固氮酶活性所必需的组分组成：二氮还原酶和二氮酶。二氮还原酶是一种[4Fe-4S]蛋白，以ATP为代价，将电子从专门的黄素氧还蛋白转移到二氮酶。二氮酶是一个蛋白复合物，含有钼铁辅因子、钒铁辅因子或铁铁辅因子，通过三次连续的两电子还原将二氮从氮还原为二亚胺（diimine）再到肼，最后到两分子氨。还原以氢气的形成开始。该酶还能将乙炔还原为乙烯（但只能非常缓慢地还原为乙烷），将叠氮化物还原为氮气和氨，将氰化物还原为甲烷和氨。在缺乏合适底物时，缓慢形成氢气。一些酶利用铁氧还蛋白而非黄素氧还蛋白作为电子供体（参见EC 1.18.6.1，固氮酶）。
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