Fig. 3. Genes nif. Una veintena de genes presentes en Klebsiella pneumoniae están directamente implicados en la reducción de N2 a amonio. Se conocen como genes nif (de nitrogen fixation) y en esta bacteria se hallan todos agrupados lo que ha facilitado considerablemente su estudio, junto con la particularidad de encontrarse en una especie microbiana muy asequible. Genes homólogos a muchos de ellos y particularmente a los estructurales, que codifican la enzima nitrogenasa, se hayan en todos los fijadores, aunque con una distribución distinta. La presencia general indica un origen común para este proceso. Los genes nif se transcriben por grupos bajo el control de NtrA (s54 o RpoN), y su expresión está sometida a una estricta regulación, de tal forma que sólo puede ocurrir en condiciones de bajas concentraciones de nitrógeno combinado y oxígeno, como corresponde a un proceso altamente consumidor de energía y en el que está implicada una enzima, la nitrogensa, que se inactiva por oxígeno. Esta regulación se realiza a dos niveles, uno, fuera del conjunto de estos genes, por NtrC, que actúa sobre el promotor del gen nifL, y, otro, a través del activador transcripcional NifA, cuyo gen se cotranscribe con nifL. NtrC se activa a través de la cascada GlnD, GlnB y NtrB cuando hay bajas concentraciones de amonio, o lo que es lo mismo, una relación cetoglutarato/glutamina alta. NifL, el producto del mencionado gen nifL inhibe estequiométricamente la actividad de NifA en concentraciones altas de nitrógeno combinado y oxígeno por la formación de un complejo NifL-NifA inactivo. Acaba de presentarse la hipótesis de que la presencia de amonio altera la conformación de NifL capacitandolo para ligar ATP e hidrolizarlo, incrementando así la eficiente formación de dicho complejo inactivo NifL-NifA. También recientemente se ha encontrado en K. pneumoniae que Fnr, pieza clave en el metabolismo anaerobio, es de la misma forma aquí el sensor de los niveles de oxígeno y transduce la señal hacia el regulador negativo NifL. A bajas concentraciones de oxígeno y amonio, NifL, además, presenta una gran afinidad por la membrana lo que determina una disminución del nivel de activador en el citosol capaz de unirse a NifA para inactivar su función. En Azotobacter se ha demostrado la implicación directa del producto del gen glnK (PII) en la activación de NifA. El dominio C-terminal de NifL está también implicado en sensar los niveles de nitrógeno combinado, por interacción con GlnK que cuando no está uridilado, esto es en exceso de nitrógeno, se une a NifL lo que incrementa su capacidad para inhibir NifA y, por tanto, la expresión de los genes nif. Como se puede ver, todo va dirigido a que cuando no sea necesario u oportuno, no se de la fijación.

En el caso de Rhizobium, aunque en la regulación también interviene el gen nifA, su activación no ocurre como en Klebsiella. En el esquema de la Figura que se adjunta se puede ver que cuando el producto del gen fixL sensa bajas concentraciones de oxígeno activa FixJ, que a su vez induce en S. meliloti la expresión de los genes fixK y nifA, factores transcripcionales para una serie de genes implicados en el proceso. En Bradyrhizobium japonicum la cuestión se complica y nifA es activado por el sistema RegSR mientras que FixLJ actua a traves de FixK2 sobre genes implicados en el metabolismo microaerobico, entre ellos fixNOQP que codifican una oxigenasa terminal con una Km muy baja para el oxígeno (7 nM) lo que permite el metabolismo aerobio de Rhizobium en un ambiente muy pobre en este elemento en el interior de los nódulos (< 25 nM) frente a 250 mM del exterior.