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Cyanobacteria are photoautotrophic microorganisms present in almost all ecologically niches on Earth. They exist as single-cell or filamentous forms and the latter often contain specialized cells for N2 fixation known as heterocysts. Heterocysts arise from photosynthetic active vegetative cells by multiple morphological and physiological rearrangements including the absence of O2 evolution and CO2 fixation. The key function of this cell type is carried out by the metalloprotein complex known as nitrogenase. Additionally, many other important processes in heterocysts also depend on metalloproteins. This leads to a high metal demand exceeding the one of other bacteria in content and concentration during heterocyst development and in mature heterocysts. This review provides an overview on the current knowledge of the transition metals and metalloproteins required by heterocysts in heterocyst-forming cyanobacteria. It discusses the molecular, physiological, and physicochemical properties of metalloproteins involved in N2 fixation, H2 metabolism, electron transport chains, oxidative stress management, storage, energy metabolism, and metabolic networks in the diazotrophic filament. This provides a detailed and comprehensive picture on the heterocyst demands for Fe, Cu, Mo, Ni, Mn, V, and Zn as cofactors for metalloproteins and highlights the importance of such metalloproteins for the biology of cyanobacterial heterocysts.
A1AO ATP synthases with a V-type c subunit have only been found in hyperthermophilic archaea which makes bioenergetic analyses impossible due to the instability of liposomes at high temperatures. A search for a potential archaeal A1AO ATP synthase with a V-type c subunit in a mesophilic organism revealed an A1AO ATP synthase cluster in the anaerobic, acetogenic bacterium Eubacterium limosum KIST612. The enzyme was purified to apparent homogeneity from cells grown on methanol to a specific activity of 1.2 U·mg−1 with a yield of 12%. The enzyme contained subunits A, B, C, D, E, F, H, a, and c. Subunit c is predicted to be a typical V-type c subunit with only one ion (Na+)-binding site. Indeed, ATP hydrolysis was strictly Na+-dependent. N,N′-dicyclohexylcarbodiimide (DCCD) inhibited ATP hydrolysis, but inhibition was relieved by addition of Na+. Na+ was shown directly to abolish binding of the fluorescence DCCD derivative, NCD-4, to subunit c, demonstrating a competition of Na+ and DCCD/NCD-4 for a common binding site. After incorporation of the A1AO ATP synthase into liposomes, ATP-dependent primary transport of 22Na+ as well as ΔµNa+-driven ATP synthesis could be demonstrated. The Na+ A1AO ATP synthase from E. limosum is the first ATP synthase with a V-type c subunit from a mesophilic organism. This will enable future bioenergetic analysis of these unique ATP synthases.
Highlights
• Cryo-EM structure of a yeast F1Fo-ATP synthase dimer
• Inhibitor-free X-ray structure of the F1 head and rotor complex
• Mechanism of ATP generation by rotary catalysis
• Structural basis of cristae formation in the inner mitochondrial membrane
Summary
We determined the structure of a complete, dimeric F1Fo-ATP synthase from yeast Yarrowia lipolytica mitochondria by a combination of cryo-EM and X-ray crystallography. The final structure resolves 58 of the 60 dimer subunits. Horizontal helices of subunit a in Fo wrap around the c-ring rotor, and a total of six vertical helices assigned to subunits a, b, f, i, and 8 span the membrane. Subunit 8 (A6L in human) is an evolutionary derivative of the bacterial b subunit. On the lumenal membrane surface, subunit f establishes direct contact between the two monomers. Comparison with a cryo-EM map of the F1Fo monomer identifies subunits e and g at the lateral dimer interface. They do not form dimer contacts but enable dimer formation by inducing.
The yeast Rcf1 protein is a member of the conserved family of proteins termed the hypoxia-induced gene (domain) 1 (Hig1 or HIGD1) family. Rcf1 interacts with components of the mitochondrial oxidative phosphorylation system, in particular the cytochrome bc1 (complex III)-cytochrome c oxidase (complex IV) supercomplex (termed III-IV) and the ADP/ATP carrier proteins. Rcf1 plays a role in the assembly and modulation of the activity of complex IV; however, the molecular basis for how Rcf1 influences the activity of complex IV is currently unknown. Hig1 type 2 isoforms, which include the Rcf1 protein, are characterized in part by the presence of a conserved motif, (Q/I)X3(R/H)XRX3Q, termed here the QRRQ motif. We show that mutation of conserved residues within the Rcf1 QRRQ motif alters the interactions between Rcf1 and partner proteins and results in the destabilization of complex IV and alteration of its enzymatic properties. Our findings indicate that Rcf1 does not serve as a stoichiometric component, i.e. as a subunit of complex IV, to support its activity. Rather, we propose that Rcf1 serves to dynamically interact with complex IV during its assembly process and, in doing so, regulates a late maturation step of complex IV. We speculate that the Rcf1/Hig1 proteins play a role in the incorporation and/or remodeling of lipids, in particular cardiolipin, into complex IV and. possibly, other mitochondrial proteins such as ADP/ATP carrier proteins.
The inner boundary and the cristae membrane are connected by pore-like structures termed crista junctions (CJs). The MICOS complex is required for CJ formation and enriched at CJs. Here, we address the roles of the MICOS subunits Mic27 and Mic10. We observe a positive genetic interaction between Mic27 and Mic60 and deletion of Mic27 results in impaired formation of CJs and altered cristae membrane curvature. Mic27 acts in an antagonistic manner to Mic60 as it promotes oligomerization of the F1FO-ATP synthase and partially restores CJ formation in cells lacking Mic60. Mic10 impairs oligomerization of the F1FO-ATP synthase similar to Mic60. Applying complexome profiling, we observed that deletion of Mic27 destabilizes the MICOS complex but does not impair formation of a high molecular weight Mic10 subcomplex. Moreover, this Mic10 subcomplex comigrates with the dimeric F1FO-ATP synthase in a Mic27-independent manner. Further, we observed a chemical crosslink of Mic10 to Mic27 and of Mic10 to the F1FO-ATP synthase subunit e. We corroborate the physical interaction of the MICOS complex and the F1FO-ATP synthase. We propose a model in which part of the F1FO-ATP synthase is linked to the MICOS complex via Mic10 and Mic27 and by that is regulating CJ formation.
Die Cytochrom c Oxidase von Paracoccus denitrificans katalysiert die Reduktion von Sauerstoff zu Wasser und „pumpt“ zusätzlich vier Protonen von der cytoplasmatischen Seite auf die periplasmatische Seite der Cytoplasmamembran. Die Spaltung des molekularen Sauerstoffes im binuklearen Zentrum erfolgt im katalytischen Zyklus des Enzyms bei der Umwandlung des Intermediates A, in welchem molekularer Sauerstoff an das Häm a3 Eisen gebunden ist, in das Intermediat PM durch spontane elektronische Umorganisation. Drei der dazu benötigten vier Elektronen werden von den Metallzentren geliefert. Das vierte Elektron wird sehr wahrscheinlich von einer Aminosäure in der Nähe des binuklearen Zentrums durch Bildung eines Aminosäureradikals beigesteuert. Dieses Radikal sollte in den Intermediaten PM und F• des katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase vorhanden sein. Durch Reaktion von stöchiometrischen Mengen an Wasserstoffperoxid mit dem vollständig oxidierten Enzym lassen sich PM; F• und F-Intermediate künstlich erzeugen und durch ihre Maxima in Absorptionsdifferenzspektren charakterisieren. Mit paramagnetischer Elektronenresonanzspektroskopie (EPR-Spektroskopie) können Struktur und Dynamik paramagnetischer Zentren in Proteinmolekülen untersucht werden. Mit dieser Methode konnte in mit Wasserstoffperoxid generierten PM und F•-Intermediaten ein Tyrosinradikal nachgewiesen werden. Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit war die Identifikation dieses Tyrosins mittels einer Mutagenesestudie. Dazu wurden Tyrosinvarianten (Y35F, Y167F, Y267F, Y280H, Y328F und Y414F) aus Untereinheit I, die einen maximalen Abstand von 25 Angström vom binuklearen Zentrum aufweisen, mit Hilfe von Absorptions- und EPR-Spektroskopie charakterisiert. Auf diese Weise konnte nachgewiesen werden, dass Tyrosin 167 eindeutig der Ursprungsort des Tyrosinradikals ist, das bei der Generierung von PM- und F•-Intermediaten der Cytochrom c Oxidase mit Wasserstoffperoxid entsteht. Da die Variante Y167F jedoch eine hohe katalytische Aktivität aufwies und in der Lage war, die Oxoferrylintermediate PM; F• und F zu bilden, konnte gleichzeitig gezeigt werden, dass dieses Tyrosin nicht der primäre Donor des vierten Elektrons sein kann, das im katalytischen Zyklus des Enzyms für die Spaltung der Sauerstoffbindung benötigt wird. Diese Ergebnisse wurden dahingehend interpretiert, dass Tyrosin 167 eine thermodynamische Senke darstellt, in die das von einem unbekannten kurzlebigen Elektronendonor bei der Wasserstoffperoxidreaktion gebildete Radikal verschoben wird. Als Donor des vierten Elektrons für die Sauerstoffspaltung kommt auch Tryptophan 272 infrage. Daher wurde auch die Variante W272M spektroskopisch charakterisiert. Diese Variante war katalytisch inaktiv und nicht in der Lage in Reaktion mit Wasserstoffperoxid die Intermediate PM, F• und F zu bilden. Es ließen sich weder das Tyrosin-167-Radikal noch ein anderes Radikal nachweisen. Diese Ergebnisse sprechen dafür, dass Tryptophan 272 möglicherweise der ursprüngliche Donor des vierten Elektrons für die Sauerstoffspaltung im katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase sein könnte. Während des PM zu F-Übergangs im katalytischen Zyklus der Cytochrom c Oxidase werden zwei Protonen gepumpt. Diese können vom Enzym entweder über den D-Weg oder den K-Weg aufgenommen werden. Eine Untersuchung des PM zu F-Übergangs von D-Weg- und K-Weg-Varianten der Cytochrom c Oxidase kann Aufschluss über die Beteiligung der beiden Protonenaufnahmewege des Enzyms an diesem Schritt des katalytischen Zyklus geben. Daher wurde die Reaktion der D-Weg Varianten D124N, N131D, Y35F und E278Q und der K-Weg Variante K354M mit Wasserstoffperoxid absorptionsspektroskopisch untersucht. Durch diese Experimente konnte die zentrale Bedeutung des D-Weges für die Protonentranslokation im PM zu F-Übergangs bestätigt, aber auch ein gewisser Einfluss des K-Weges nicht ausgeschlossen werden. Außerdem wurde der PM zu F-Übergang der Variante R437N, die eventuell Teil des noch nicht konkret identifizierten Protonenaustrittsweg der Cytochrom c Oxidase ist, untersucht.