Dinitrogenase, neben der Dinitrogenase-Reduktase die Schlüsselkomponente des Nitrogenase-Komplexes bei der Stickstofffixierung. Die D. ist ein α₂β₂-Tetramer (M_r 240 kDa) und enthält den wahrscheinlich am Elektronentransfer beteiligten "P"-Cluster ("P" für proteingebunden) sowie den Eisen-Molybdän-Cofaktor, der an der Bindung, Aktivierung und Reduktion des N₂-Moleküls beteiligt ist. Die D. wird auch als FeMo-Protein bezeichnet. Die α- und β-Untereinheiten sind etwa gleich groß (M_r 60 kDa) und zeigen auch ein sehr ähnliches Faltungsmuster mit wechselnden β-Strukturelementen in den drei Domänen. In jeder Untereinheit befindet sich zwischen diesen drei Domänen ein Hohlraum, wobei sich im Hohlraum der α-Untereinheit der FeMo-Cofaktor befindet, der nur über jeweils einen Cystein- und Histidinrest mit dem Protein verbunden ist. Als zweiter Faktor ist der P-Cluster sehr symmetrisch zwischen der α- und β-Untereinheit lokalisiert. Die Fixierung erfolgt über je drei Cysteinreste an beide Untereinheiten. Im Gegensatz zum FeMo-Faktor lässt sich der P-Cluster nicht im intakten Zustand aus dem Protein isolieren. Beide Faktoren befinden sich etwa 1nm unterhalb der Proteinoberfläche. Für die Strukturen der Metall-Cluster wurden verschiedene Modelle vorgeschlagen. Bei einem für den P-Cluster vorgeschlagenen Modell bilden zwei Cystein-Schwefelatome und eine zusätzliche Disulfidbindung eine Brücke zwischen zwei Fe₄S₄-Einheiten. Der FeMo-Faktor ist vergleichsweise komplexer aufgebaut. Er setzt sich aus den zwei Cubanfragmenten Fe₄S₃ und Fe₃MoS₃, die über drei anorganische Sulfidbrücken verbunden sind, und aus Homocitrat zusammen. Letzteres ist durch je ein Sauerstoffatom der Hydroxy- und einer Carboxylgruppe an das Molybdänatom gebunden. Die verbleibenden vier Molybdänliganden sind drei anorganische Schwefelatome und ein N-Atom eines Histidinbausteins. Die D.-Komponente alternativer Nitrogenasen (Stickstofffixierung), von denen es Vanadium-Nitrogenasen, Eisen-Nitrogenasen (iron only-Nitrogenasen) und gar solche ohne Heterometallatom gibt, ist ein Hexamer der Zusammensetzung α₂β₂δ₂, wobei die Funktion der δ-Untereinheit (M_r 15kDa) noch nicht hinreichend bekannt ist.