在 Bishop等發現第二套固氮系統以前 , 人們一直認為 ,鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成的固氮酶系統是固氮生物中起固氮作用的唯一系統 。 Bishop在對棕色固氮菌的研究中 ,發現存在另外一種固氮酶系統 , 使生物體在缺乏 Mo的條件下可以固氮生長 。這種含釩固氮酶只在無 Mo而有 V的條件下表達 ,由 VFe蛋白和 Fe蛋白 -2組成 ,被認為是一種 “備份 ”的固氮酶系統。 Fe蛋白 -2由 vnfH編碼 ,分子量為 64kD,結構和功能均與含鉬固 氮酶的 鐵蛋 白類 似 ;二 者之 間的 同源 性達90%。釩鐵蛋白的結構特性和鉬鐵蛋白相似 ,但除 α2β 2外 ,還含有一個小的 δ亞基 , 組成 α2 β2 δ2六聚體 。VFe蛋白含有一個與 FeMoco類似的FeVco活性中心和一個與 MoFe蛋白中具有相似波譜特性的 P-簇 。在催化氮還原的過程中 ,與含鉬固氮酶相比較 , 含釩固氮酶的催化過程釋放更多的 H2, 消耗更多的 MgATP。但是 ,含釩固氮酶在低溫條件下比含鉬固氮酶更具有活性 ,從而在進化過程中得以保存 。
第三套固氮酶系統是鐵鐵固氮酶 , 其固氮活性極低 ,由 FeFe蛋白和 Fe蛋白 -3組成 。 Fe蛋白 -3與含鉬固氮酶系統中的 Fe蛋白的氨基酸序列同源性只有60%;FeFe蛋白與 VFe蛋白在 α和 β 的氨基酸序列同源性為 55%,與 MoFe蛋白的同源性只有 32%。這三套固氮酶分別由 nif、vnf及其 anf基因簇調控 ,它們的固氮能力表現為含 Mo酶 >含 V酶 >僅含Fe。