Modifications typiques des protéines et des chaînes latérales médiées par les ROS/RNS. Cette figure représente certaines des principales modifications réversibles et irréversibles des protéines causées par les ROS/RNS. La partie supérieure montre différentes modifications que peuvent subir certaines protéines dans les cellules exposées à un stress oxydatif. Certaines d’entre elles sont des modifications oxydatives réversibles (boîte verte), qui peuvent être inversées par la machinerie enzymatique cellulaire (voir le texte ci-dessous) ; une autre voie réversible est la modification par les enzymes cellulaires, qui se produit en réponse au stress oxydatif (boîte jaune). Ces modifications peuvent être induites par les ROS/RNS directement ou par des réactions enzymatiques en réponse aux ROS/RNS ou à un changement d’état redox de la cellule. Un exemple courant est la S-glutathionylation, principalement induite par l’oxydation des résidus de cystéine et inversée de manière enzymatique. Une autre catégorie est la formation de modifications oxydatives irréversibles par les ROS/RNS qui ne peuvent être inversées par les enzymes cellulaires (orange). Ces protéines sont généralement reconnues et dégradées par des systèmes enzymatiques cellulaires spécialisés. La partie inférieure de la figure énumère les modifications oxydatives des protéines, classées par principes généraux ou réactions spécifiques des chaînes latérales d’acides aminés. Les modifications réversibles se trouvent principalement dans les résidus de cystéine et de méthionine, les deux seuls acides aminés qui peuvent être réduits/réparés par la machinerie enzymatique antioxydante cellulaire. Le sulfoxyde de méthionine (MetSO) peut être réduit par les méthionine sulfoxyde réductases Msr-A (spécifique pour le stéréo-isomère S) et Msr-B (spécifique pour le stéréo-isomère R du MetSO) ; les deux (Msr-A/B) utilisent la thiorédoxine (Th-(SH)2) comme éléments réducteurs ; ensuite, Th-(S-S) est réduit en Thr-(SH)2 à nouveau par l’enzyme thiorédoxine réductase en consommant du NADPH. L’autre résidu d’acide aminé très sensible aux ROS/RNS est la cystéine. Son oxydation provoque dans les protéines des liaisons transversales intra- ou intermoléculaires (disulfures). Comme le MetSO, la cystéine peut être réduite par des thioltransférases, qui utilisent soit le glutathion (GSH), soit la thiorédoxine réduite (Th-(SH)2) pour réduire un disulfure (-S-S-) en deux groupes -SH distincts (sulfhydryls). Parmi les différentes étapes de l’oxydation de la cystéine, seule la formation du radical cystéinyle (protéine-Cys-S-) et l’oxydation en acide sulfénique (protéine-Cys-SOH) sont réversibles, tandis que l’oxydation en acide sulfinique et sulfonique est irréversible, malgré une seule exception connue et hautement spécialisée : la sulfirédoxine est en fait capable de réduire l’acide sulfinique (protéine-Cys-SO2H) dans les peroxiredoxines dans une réaction consommatrice d’ATP. La perte de groupes SH peut entraîner un mauvais repliement ou un dépliage des protéines, leur inactivation (centre catalytique), une diminution de leur capacité antioxydante, ainsi que la perte de fonctions spécifiques. Les modifications irréversibles des protéines sont beaucoup plus nombreuses que les modifications réversibles et ont en commun de ne pas pouvoir être réparées/réduites par la machinerie antioxydante de la cellule. Ces modifications générales (champ de description gauche de la partie inférieure de cette figure) peuvent être induites par des attaques de radicaux hautement réactifs comme les hydroxyles, qui sont capables d’induire la fragmentation de la protéine, tandis que l’attaque de la glycine semble jouer un rôle majeur, ainsi que de la proline, de l’histidine et de la lysine ; de plus, l’histidine est importante dans la formation de liaisons transversales covalentes. D’autres événements sont la dé- et la transamination (des résidus de glutamine et d’asparagine) qui peuvent même se produire de manière spontanée et ne doivent pas être médiés/induits par les ROS/RNS. En outre, la formation de produits finaux de glycation avancée (AGE) a été démontrée : Nε-carboxyméthyllysine (CML) et Nε-carboxyéthyllysine (CEL), ainsi que différents dimères de glyoxal-lysine (GOLD) et dimères de méthylglyoxal-lysine (MOLD) ou pentosidine . Ces AGE sont des produits de sucres et de protéines, formant des protéines glyquées qui peuvent également se produire à partir du méthylglyoxal, un puissant agent de glycation dérivé des trioses. Les lipides d’une cellule sont également très sensibles aux modifications oxydatives. Après un dommage causé par les ROS/RNS, des aldéhydes hautement réactifs sont formés, capables de réagir avec les protéines. Les principaux aldéhydes réactifs sont le 4-hydroxy-2,3-nonénal (HNE, l’un des produits les plus abondants de la peroxydation lipidique, un aldéhyde bifonctionnel, capable de réticuler de manière covalente les protéines par réaction avec la cystéine, la lysine ou l’histidine, suivi d’une réaction avec un résidu de lysine d’une autre protéine) , 4-hydroxyhexénal (HHE), malondialdéhyde (MDA, forme la Nε-malondialdéhydelysine avec des résidus de lysine ou l’adduit fluorescent 1,4-dihydropyridine-3,5-dicarbaldéhydes) . Les aldéhydes glyoxal et acroléine réagissent principalement avec la lysine, l’arginine et l’histidine. Les produits finaux correspondants des réactions mentionnées sont appelés dans la littérature « produits finaux de peroxydation lipidique avancée » (ALE). Une étape typique de la fragmentation de l’épine dorsale de la protéine est la formation d’un radical alcoxy à l’intérieur de la protéine, qui peut se désintégrer par les voies dites du diamide ou de l’α-amination. Les modifications oxydatives irréversibles de résidus spécifiques présentent une grande variété, mais dans les systèmes biologiques, plusieurs modifications prédominantes peuvent être trouvées, certaines d’entre elles étant listées dans le champ de description droit de la partie inférieure de cette figure. Dans les cellules, la formation de 3-nitrotyrosine est principalement un indice de la présence de peroxynitrite (ONOO-), et ainsi la détection immunochimique de 3-nitrotyrosine est devenue un marqueur quantitatif et qualitatif pour l’oxydation des protéines médiée par ONOO-. Les dityrosines sont principalement formées par la réaction de deux radicaux tyrosyle . Ceux-ci peuvent être formés par la réaction des chaînes latérales de la tyrosine avec les radicaux hydroxyles, l’hypochlorite ou le peroxynitrite . En outre, l’hydroxylation de la phénylalanine, de la tyrosine et du tryptophane par les radicaux hydroxyles joue un rôle majeur, ainsi que des réactions comparables de l’histidine, formant la 2-oxohistidine . Les carbonyles protéiques sont la modification oxydative des protéines la plus abondante – leur taux de formation est environ 10 fois plus élevé que pour toute autre modification oxydative des protéines. Les carbonyles protéiques sont principalement formés par l’oxydation des chaînes latérales de valine, leucine, isoleucine, lysine, glutamine, arginine et proline. En raison de leur fréquence élevée et de l’établissement de méthodes faciles à manipuler, les carbonyles de protéines sont le marqueur quantitatif le plus souvent utilisé pour la modification oxydative des protéines. (Pour l’interprétation des références à la couleur dans la légende de cette figure, le lecteur est renvoyé à la version web de cet article.)