Le système nitrogénase est un assemblage de 3 protéines : la nitrogénase proprement dite qui est un tétramère de 220 kDa (2 x 51 kDa et 2 x 59 kDa) : chaque monomère contient un centre [4 Fe - 4 S] ce tétramère est associé à un cofacteur protéïque qui contient 8 Fe et 2 atomes de molybdène (Mo) en conséquence, la nitrogénase fonctionnelles contient: 5 sous-unités ; 24 Fe ; 32 S et 2 Mo une réductase qui est un dimère de 60 kDa (2 x 30 kDa), le dimère contenant un centre [4 Fe - 4 S] la ferrédoxine chez les bactéries symbiotiques ou une flavodoxine à FAD chez les bactéries libres. C'est la protéine transporteuse des électrons du fer vers le molybdène
Le mécanisme supposé de la réduction de l'azote en ammoniac par le système nitrogénase est le suivant :

Le mécanisme de transfert des électrons entre les protéines du système nitrogénase met en jeu des états réduits et oxydés de ces protéines.
La réaction globale , irréversible, catalysée par le système nitrogénase, est la suivante :

On constate que cette réaction est extrêmement coûteuse en énergie puisque 12 molécules d'ATP sont consommées par molécule d'azote réduit. Le rôle de l'ATP est le suivant : l'association de la réductase avec la nitrogénase ne peut se faire que si la réductase subit un changement de conformation quand elle est dans l'état réduit ce changement de conformation, induit par la fixation de l'ATP à la réductase, entraîne une diminution du potentiel rédox dans les conditions standard (cf. cours "Réactions d'oxydo-réduction - Potentiel de réduction") de la réductase : E0' passe de - 0,29 V à - 0,40 V cette augmentation du pouvoir réducteur permet à la réductase de transférer les électrons à la nitrogénase

N2 + (6 H+ + 6 e-) + 6 ferrédoxine réduite + (2 H+ + 2 e-) + 2 ferrédoxine réduite + 12 ATP + 12 H2O
--------> 2 NH3 + H2 + 8 ferrédoxine oxydée + 12 ADP + 12