Typische ROS/RNS-vermittelte Protein- und Seitenkettenmodifikationen. Diese Abbildung zeigt einige der wichtigsten reversiblen und irreversiblen Proteinmodifikationen, die durch ROS/RNS verursacht werden. Der obere Teil zeigt verschiedene Modifikationen, die einige Proteine in Zellen erfahren können, die oxidativem Stress ausgesetzt sind. Einige davon sind reversible oxidative Modifikationen (grüner Kasten), die durch die zelluläre enzymatische Maschinerie rückgängig gemacht werden können (siehe Text unten); ein weiterer reversibler Weg ist die Modifikation durch zelluläre Enzyme, die als Reaktion auf oxidativen Stress erfolgt (gelber Kasten). Diese Modifikationen können direkt durch ROS/RNS oder durch enzymatische Reaktionen als Reaktion auf ROS/RNS oder einen veränderten Redoxzustand der Zelle ausgelöst werden; ein gängiges Beispiel hierfür ist die so genannte S-Glutathionylierung, die hauptsächlich durch die Oxidation von Cysteinresten ausgelöst und auf enzymatischem Wege rückgängig gemacht wird. Eine andere Kategorie ist die Bildung irreversibler oxidativer Modifikationen durch ROS/RNS, die nicht durch zelluläre Enzyme rückgängig gemacht werden können (orange). Solche Proteine werden normalerweise von spezialisierten zellulären Enzymsystemen erkannt und abgebaut. Im unteren Teil der Abbildung sind oxidative Proteinmodifikationen aufgeführt, die nach allgemeinen Grundsätzen oder spezifischen Aminosäureseitenkettenreaktionen klassifiziert sind. Reversible Modifikationen finden sich vor allem bei Cystein- und Methioninresten, den beiden einzigen Aminosäuren, die von der zellulären antioxidativen Enzymmaschinerie reduziert/repariert werden können. Methioninsulfoxid (MetSO) kann durch die Methioninsulfoxid-Reduktasen Msr-A (spezifisch für das S-Stereoisomer) und Msr-B (spezifisch für das R-Stereoisomer von MetSO) reduziert werden; beide (Msr-A/B) verwenden Thioredoxin (Th-(SH)2) als reduzierende Elemente; anschließend wird Th-(S-S) durch das Enzym Thioredoxin-Reduktase auf NADPH-verbrauchende Weise wieder zu Thr-(SH)2 reduziert. Der andere für ROS/RNS sehr anfällige Aminosäurerest ist Cystein. Seine Oxidation führt in Proteinen zu intra- oder intermolekularen Vernetzungen (Disulfiden). Ähnlich wie MetSO kann Cystein durch Thioltransferasen reduziert werden, die entweder Glutathion (GSH) oder reduziertes Thioredoxin (Th-(SH)2) verwenden, um ein Disulfid (-S-S-) in zwei separate -SH-Gruppen (Sulfhydryl) zu reduzieren. Von den verschiedenen Stufen der Cysteinoxidation ist nur die Bildung des Cysteinylradikals (Protein-Cys-S-) und die Oxidation zu Sulfensäure (Protein-Cys-SOH) reversibel, während die Oxidation zu Sulfinsäure und Sulfonsäure irreversibel ist, abgesehen von einer einzigen bekannten und hochspezialisierten Ausnahme: Sulfiredoxin ist tatsächlich in der Lage, Sulfinsäure (Protein-Cys-SO2H) in Peroxiredoxinen in einer ATP-verbrauchenden Reaktion zu reduzieren. Ein Verlust von SH-Gruppen kann zu einer Fehl- bzw. Entfaltung des Proteins, einer Inaktivierung (katalytisches Zentrum), einer verringerten antioxidativen Kapazität sowie dem Verlust spezifischer Funktionen führen. Die Variationen der irreversiblen Proteinmodifikationen übertreffen die reversiblen bei weitem und haben gemeinsam, dass sie nicht durch die antioxidative Maschinerie der Zelle repariert/reduziert werden können. Solche allgemeinen Modifikationen (linkes Beschreibungsfeld im unteren Teil dieser Abbildung) können durch Angriffe hochreaktiver Radikale wie Hydroxyl ausgelöst werden, die in der Lage sind, eine Fragmentierung des Proteins herbeizuführen, wobei der Angriff auf Glycin eine wichtige Rolle zu spielen scheint, ebenso wie auf Prolin, Histidin und Lysin; darüber hinaus ist Histidin wichtig für die Bildung kovalenter Querverbindungen. Weitere Ereignisse sind De- und Transaminierung (von Glutamin- und Asparaginresten), die sogar spontan auftreten können und nicht durch ROS/RNS vermittelt/induziert werden müssen. Darüber hinaus wurde die Bildung sogenannter fortgeschrittener Glykierungsendprodukte (AGEs) nachgewiesen: Nε-Carboxymethyllysin (CML) und Nε-Carboxyethyllysin (CEL), sowie verschiedene Glyoxal-Lysin-Dimere (GOLDs) und Methylglyoxal-Lysin-Dimere (MOLDs) oder Pentosidin . Diese AGEs sind Produkte aus Zuckern und Proteinen und bilden glykierte Proteine, die auch aus Methylglyoxal, einem starken Glykierungsmittel aus Triolen, entstehen können. Sehr anfällig für oxidative Veränderungen sind auch die Lipide in einer Zelle. Nach ROS/RNS-vermittelten Schäden werden unter anderem hochreaktive Aldehyde gebildet, die mit Proteinen reagieren können. Die wichtigsten reaktiven Aldehyde sind 4-Hydroxy-2,3-nonenal (HNE), eines der häufigsten Produkte der Lipidperoxidation, ein bifunktioneller Aldehyd, der Proteine kovalent vernetzen kann, indem er entweder mit Cystein, Lysin oder Histidin reagiert, gefolgt von einer Reaktion mit einem Lysinrest eines anderen Proteins), 4-Hydroxyhexenal (HHE), Malondialdehyd (MDA, bildet Nε-Malondialdehydelysin mit Lysinresten oder das fluoreszierende Addukt 1,4-Dihydropyridin-3,5-dicarbaldehyde) . Die Aldehyde Glyoxal und Acrolein reagieren hauptsächlich mit Lysin, Arginin und Histidin. Die entsprechenden Endprodukte der genannten Reaktionen werden in der Literatur als „advanced lipid peroxidation end products“ (ALEs) bezeichnet. Ein typischer Schritt bei der Fragmentierung des Proteinrückgrats ist die Bildung eines Alkoxylradikals innerhalb des Proteins, das entweder über den sogenannten Diamid- oder den α-Aminierungsweg zerfallen kann. Die irreversiblen oxidativen Modifikationen spezifischer Reste weisen eine große Vielfalt auf, aber in biologischen Systemen lassen sich mehrere vorherrschende Modifikationen finden, von denen einige im rechten Beschreibungsfeld des unteren Teils dieser Abbildung aufgeführt sind. In Zellen ist die Bildung von 3-Nitrotyrosin vor allem ein Hinweis auf das Vorhandensein von Peroxynitrit (ONOO-), und so wurde der immunchemische Nachweis von 3-Nitrotyrosin zu einem quantitativen und qualitativen Marker für ONOO-vermittelte Proteinoxidation. Dityrosine werden hauptsächlich durch die Reaktion von zwei Tyrosylradikalen gebildet. Diese können durch die Reaktion von Tyrosinseitenketten mit Hydroxylradikalen, Hypochlorit oder Peroxynitrit gebildet werden. Darüber hinaus spielt die durch Hydroxylradikale vermittelte Hydroxylierung von Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan eine große Rolle, ebenso wie vergleichbare Reaktionen von Histidin unter Bildung von 2-Oxohistidin. Protein-Carbonyls sind die am häufigsten auftretende oxidative Proteinmodifikation – ihre Bildungsrate ist etwa 10-mal höher als bei jeder anderen oxidativen Proteinmodifikation. Protein-Carbonyls werden hauptsächlich durch die Oxidation der Seitenketten von Valin, Leucin, Isoleucin, Lysin, Glutamin, Arginin und Prolin gebildet. Aufgrund ihres häufigen Vorkommens und der Etablierung einfach zu handhabender Methoden sind Protein-Carbonyls die am häufigsten verwendeten quantitativen Marker der oxidativen Proteinmodifikation. (Zur Interpretation der farblichen Hinweise in dieser Abbildungslegende wird auf die Web-Version dieses Artikels verwiesen)

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