Typical ROS/RNS-mediated protein and side-chain modifications. Tässä kuvassa on esitetty joitakin tärkeimpiä ROS/RNS:n aiheuttamia palautuvia ja palautumattomia proteiinimodifikaatioita. Yläosassa esitetään erilaisia modifikaatioita, joita jotkin proteiinit voivat kokea hapetusstressille altistuneissa soluissa. Osa niistä on palautuvia oksidatiivisia modifikaatioita (vihreä laatikko), jotka solun entsyymikoneisto voi kumota (ks. teksti jäljempänä); toinen palautuva reitti on solun entsyymien tekemä modifikaatio, joka tapahtuu vastauksena oksidatiiviseen stressiin (keltainen laatikko). Nämä modifikaatiot voivat olla suoraan ROS/RNS:n indusoimia tai entsymaattisia reaktioita vastauksena ROS/RNS:ään tai solun muuttuneeseen redox-tilaan. Yleinen esimerkki tästä on niin sanottu S-glutathionylaatio, joka indusoituu pääasiassa kysteiinijäämien hapettumisesta ja palautuu entsymaattisesti. Toinen luokka on ROS/RNS:n aiheuttamat palautumattomat oksidatiiviset modifikaatiot, joita solun entsyymit eivät voi kumota (oranssi). Tällaiset proteiinit tunnistetaan ja hajotetaan yleensä erikoistuneilla solun entsymaattisilla järjestelmillä . Kuvan alaosassa luetellaan hapettavat proteiinimodifikaatiot, jotka on luokiteltu yleisten periaatteiden tai tiettyjen aminohappojen sivuketjureaktioiden mukaan. Palautuvia modifikaatioita esiintyy pääasiassa kysteiini- ja metioniinijäännöksissä, jotka ovat ainoat kaksi aminohappoa, joita solun antioksidatiivinen entsyymikoneisto voi pelkistää/korjata. Metioniinisulfoksidi (MetSO) voidaan pelkistää metioniinisulfoksidin reduktaaseilla Msr-A (spesifinen MetSO:n S-stereoisomeerille) ja Msr-B (spesifinen MetSO:n R-stereoisomeerille); molemmat (Msr-A/B) käyttävät pelkistävinä alkuaineina tioredoksiinia (Th-(SH)2); tämän jälkeen Th-(S-S) pelkistyy Thr-(SH)2:ksi jälleen tioredoksiinireduktaasientsyymin toimesta NADPH:ta kuluttavalla tavalla. Toinen ROS/RNS:lle hyvin altis aminohappojäännös on kysteiini. Sen hapettuminen aiheuttaa proteiineissa molekyylin sisäisiä tai molekyylien välisiä ristisidoksia (disulfideja). MetSO:n tavoin kysteiini voidaan pelkistää tiolttitransferaaseilla, jotka käyttävät joko glutationia (GSH) tai pelkistynyttä tioredoksiinia (Th-(SH)2) pelkistääkseen disulfidin (-S-S-) kahdeksi erilliseksi -SH-ryhmäksi (sulfihydryyliksi). Kysteiinin hapettumisen eri vaiheista ainoastaan kysteinyyliradikaalin (proteiini-Cys-S-) muodostuminen ja hapettuminen sulfiinihapoksi (proteiini-Cys-SOH) on palautuvaa, kun taas hapettuminen sulfiini- ja sulfonihapoksi on palautumatonta, vaikka yksi ainoa tunnettu ja hyvin erikoistunut poikkeus onkin olemassa: sulfiredoksiini kykenee itse asiassa pelkistämään sulfiinihappoa (proteiini-Cys-SO2H) peroksidiredoksiineissa ATP:tä kuluttavassa reaktiossa . SH-ryhmien häviäminen voi johtaa proteiinien vääränlaiseen/hajoamattomaan muotoutumiseen, inaktivoitumiseen (katalyyttinen keskus), antioksidatiivisen kapasiteetin vähenemiseen sekä erityisten toimintojen häviämiseen. Irreversiibelien proteiinimodifikaatioiden määrä on huomattavasti suurempi kuin reversiibelien, ja niille on yhteistä se, että solun antioksidatiivinen koneisto ei voi korjata/pienentää niitä. Tällaisia yleisiä modifikaatioita (kuvion alaosan vasen kuvauskenttä) voivat aiheuttaa erittäin reaktiivisten radikaalien, kuten hydroksyylien, hyökkäykset, jotka kykenevät aiheuttamaan proteiinin pirstoutumisen, kun taas glysiiniin, proliiniin, histidiiniin ja lysiiniin kohdistuvilla hyökkäyksillä näyttäisi olevan suuri merkitys; lisäksi histidiinillä on tärkeä merkitys kovalenttisten ristisidosten muodostumisessa. Muita tapahtumia ovat de- ja transaminaatio (glutamiini- ja asparagiinijäämien), jotka voivat tapahtua jopa spontaanisti eikä niiden tarvitse olla ROS/RNS:n välittämiä/indusoimia. Lisäksi on osoitettu niin sanottujen kehittyneiden glykoitumisen lopputuotteiden (AGE:t) muodostumista: Nε-karboksimetyylilysiini (CML) ja Nε-karboksietyylilysiini (CEL) sekä erilaiset glyoksaali-lysiinidimeerit (GOLD) ja metyyliglyoksaali-lysiinidimeerit (MOLD) tai pentosidiini . Nämä AGE:t ovat sokerien ja proteiinien tuotteita, jotka muodostavat glykoituneita proteiineja, joita voi esiintyä myös metyyliglyoksaalista, joka on trioosista peräisin oleva voimakas glykoittava aine. Erittäin alttiita hapettumiselle ovat myös solun lipidit. ROS/RNS-välitteisen vaurion jälkeen muodostuu muun muassa erittäin reaktiivisia aldehydejä, jotka voivat reagoida proteiinien kanssa. Tärkeimpiä reaktiivisia aldehydejä ovat 4-hydroksi-2,3-nonenaali (HNE, yksi lipidiperoksidaation runsaimmista tuotteista, bifunktionaalinen aldehydi, joka kykenee kovalenttisesti silloittamaan proteiineja reagoimalla joko kysteiinin, lysiinin tai histidiinin kanssa, jota seuraa reaktio toisen proteiinin lysiinijäämän kanssa) , 4-hydroksiheksenaali (HHE), malondialdehydi (MDA, muodostaa Nε-malondialdehydelysiinin lysiinijäämien kanssa tai fluoresoivan 1,4-dihydropyridiini-3,5-dikarbaldehydin adduktin) . Aldehydit glyoksaali ja akroleiini reagoivat pääasiassa lysiinin, arginiinin ja histidiinin kanssa. Mainittujen reaktioiden vastaavia lopputuotteita kutsutaan kirjallisuudessa ”pitkälle edenneiksi lipidiperoksidaation lopputuotteiksi” (ALE). Tyypillinen vaihe proteiinin selkärangan pirstoutumisessa on alkoksyyliradikaalin muodostuminen proteiiniin, joka voi hajota joko niin sanotun timidi- tai α-aminaatioreitin kautta. Tiettyjen jäämien irreversiibelit oksidatiiviset modifikaatiot ovat hyvin erilaisia, mutta biologisissa systeemeissä on useita vallitsevia modifikaatioita, joista osa on lueteltu tämän kuvan alaosan oikeassa kuvauskentässä. Soluissa 3-nitrotyrosiinin muodostuminen on pääasiassa vihje peroksinitriitin (ONOO-) läsnäolosta, ja näin ollen 3-nitrotyrosiinin immunokemiallisesta havaitsemisesta tuli kvantitatiivinen ja kvalitatiivinen merkkiaine ONOO-välitteiselle proteiinien hapettumiselle . Dityrosiinit muodostuvat pääasiassa kahden tyrosyyliradikaalin reaktion kautta . Niitä voi muodostua tyrosiinin sivuketjujen reagoidessa hydroksyyliradikaalien, hypokloriitin tai peroksinitriitin kanssa . Lisäksi fenyylialaniinin, tyrosiinin ja tryptofaanin hydroksyyliradikaalivälitteisellä hydroksylaatiolla on suuri merkitys, samoin kuin histidiinin vastaavilla reaktioilla, joissa muodostuu 2-oksohistidiinia . Proteiinikarbonyylit ovat runsain hapettava proteiinimodifikaatio – niiden muodostumisnopeus on noin 10-kertainen kaikkiin muihin hapettaviin proteiinimodifikaatioihin verrattuna. Proteiinikarbonyylejä muodostuu pääasiassa valiinin, leusiinin, isoleusiinin, lysiinin, glutamiinin, arginiinin ja proliinin sivuketjujen hapettumisesta. Koska proteiinikarbonyylien esiintyvyys on suuri ja menetelmiä on helppo käyttää, proteiinikarbonyylit ovat yleisimmin käytetty oksidatiivisen proteiinimodifikaation kvantitatiivinen merkkiaine. (Tässä kuvan legendassa olevien väriviittausten tulkinnan osalta lukijaa pyydetään tutustumaan tämän artikkelin verkkoversioon.)