Modifiche tipiche delle proteine e delle catene laterali mediate da ROS/RNS. Questa figura mostra alcune delle principali modifiche reversibili e irreversibili delle proteine causate da ROS/RNS. La parte superiore mostra diverse modifiche che alcune proteine possono subire nelle cellule esposte allo stress ossidativo. Alcune di esse sono modifiche ossidative reversibili (riquadro verde), che possono essere invertite dal macchinario enzimatico cellulare (vedi testo sotto); un altro percorso reversibile è la modifica da parte degli enzimi cellulari, che avviene in risposta allo stress ossidativo (riquadro giallo). Queste modifiche possono essere indotte direttamente da ROS/RNS o da reazioni enzimatiche in risposta a ROS/RNS o a uno stato redox spostato della cellula; un esempio comune è la cosiddetta S-glutationeilazione, indotta principalmente dall’ossidazione dei residui di cisteina e invertita in modo enzimatico. Un’altra categoria è la formazione di modifiche ossidative irreversibili da ROS/RNS che non possono essere invertite dagli enzimi cellulari (arancione). Tali proteine sono solitamente riconosciute e degradate da sistemi enzimatici cellulari specializzati. La parte inferiore della figura elenca le modifiche ossidative delle proteine, classificate in base ai principi generali o alle reazioni specifiche delle catene laterali degli aminoacidi. Le modifiche reversibili si trovano principalmente nei residui di cisteina e metionina, gli unici due amminoacidi che possono essere ridotti/riparati dal macchinario enzimatico antiossidativo cellulare. Il solfossido di metionina (MetSO) può essere ridotto dalle metionina solfossido reduttasi Msr-A (specifica per lo stereoisomero S) e Msr-B (specifica per lo stereoisomero R del MetSO); entrambe (Msr-A/B) usano la tioredossina (Th-(SH)2) come elementi riducenti; dopo questo, la Th-(S-S) è ridotta a Thr-(SH)2 di nuovo dall’enzima tioredossina reduttasi in un modo che consuma NADPH. L’altro residuo aminoacidico molto suscettibile ai ROS/RNS è la cisteina. La sua ossidazione provoca nelle proteine legami incrociati intra- o intermolecolari (disolfuri). Come il MetSO, la cisteina può essere ridotta dalle tioltransferasi, che utilizzano il glutatione (GSH) o la tioredossina ridotta (Th-(SH)2) per ridurre un disolfuro (-S-S-) in due gruppi -SH separati (solfidrilici). Dei diversi stadi dell’ossidazione della cisteina, solo la formazione del radicale cisteinico (proteina-Cys-S-) e l’ossidazione all’acido solfenico (proteina-Cys-SOH) è reversibile, mentre l’ossidazione all’acido solfinico e solfonico è irreversibile, nonostante un’unica eccezione conosciuta e altamente specializzata: la sulfiredoxina è effettivamente in grado di ridurre l’acido solfinico (proteina-Cys-SO2H) nelle perossiredoxine in una reazione che consuma ATP. Una perdita di gruppi SH può risultare in un mis-/unfolding della proteina, inattivazione (centro catalitico), diminuzione della capacità antiossidativa, così come la perdita di funzioni specifiche. Le variazioni delle modifiche irreversibili delle proteine superano di gran lunga quelle reversibili e hanno in comune il fatto che non possono essere riparate/ridotte dal meccanismo antiossidativo della cellula. Tali modifiche generali (campo di descrizione a sinistra della parte inferiore di questa figura) possono essere indotte da attacchi di radicali altamente reattivi come l’idrossile, che sono in grado di indurre la frammentazione della proteina, mentre l’attacco alla glicina sembra giocare un ruolo importante, così come a prolina, istidina e lisina; inoltre, l’istidina è importante nella formazione di legami incrociati covalenti. Altri eventi sono la de- e transaminazione (dei residui di glutammina e asparagina) che possono avvenire anche in modo spontaneo e non devono essere mediati/indotti da ROS/RNS. Inoltre, è stata dimostrata la formazione dei cosiddetti prodotti finali di glicazione avanzata (AGE): Nε-carbossimetilisina (CML) e Nε-carbossietilisina (CEL), così come diversi dimeri di gliossale-lisina (GOLD) e dimeri di metilgliossale-lisina (MOLD) o pentosidina . Questi AGE sono prodotti di zuccheri e proteine, formando proteine glicate che possono verificarsi anche dal metilgliossale, un potente agente glicante derivato dai triosi. Molto inclini alle modifiche ossidative sono anche i lipidi in una cellula. Dopo il danno mediato da ROS/RNS, si formano tra l’altro aldeidi altamente reattive, che sono in grado di reagire con le proteine. Le principali aldeidi reattive sono il 4-idrossi-2,3-nonenale (HNE, uno dei prodotti più abbondanti della perossidazione lipidica, un’aldeide bifunzionale, in grado di legare covalentemente le proteine tramite reazione con cisteina, lisina o istidina, seguita dalla reazione con un residuo di lisina di un’altra proteina) , 4-idrossi-esenale (HHE), malondialdeide (MDA, forma Nε-malondialdeidelisina con residui di lisina o l’addotto fluorescente 1,4-diidropiridina-3,5-dicarbaldeide) . Le aldeidi gliossale e acroleina reagiscono principalmente con lisina, arginina e istidina. I prodotti finali delle reazioni menzionate sono indicati in letteratura come “prodotti finali avanzati di perossidazione lipidica” (ALE). Un passo tipico nella frammentazione della spina dorsale della proteina è la formazione di un radicale alcossilico all’interno della proteina, che può decadere attraverso le cosiddette vie del diamide o dell’α-aminazione. Le modifiche ossidative irreversibili di residui specifici mostrano una grande varietà, ma nei sistemi biologici si possono trovare diverse modifiche predominanti, alcune delle quali sono elencate nel campo di descrizione destro della parte inferiore di questa figura. Nelle cellule, la formazione di 3-nitrotirosina è principalmente un indizio della presenza di perossinitrito (ONOO-), e quindi la rilevazione immunochimica di 3-nitrotirosina è diventata un marcatore quantitativo e qualitativo per l’ossidazione proteica mediata da ONOO. Le ditirosine si formano principalmente attraverso la reazione di due radicali tirosilici. Questi possono essere formati dalla reazione delle catene laterali della tirosina con radicali idrossilici, ipoclorito o perossinitrito. Inoltre, l’idrossilazione mediata dai radicali idrossilici di fenilalanina, tirosina e triptofano gioca un ruolo importante, così come reazioni simili dell’istidina, formando la 2-oxohistidina. I carbonili delle proteine sono la modifica ossidativa più abbondante delle proteine – il loro tasso di formazione è circa 10 volte superiore a quello di qualsiasi altra modifica ossidativa delle proteine. I carbonili proteici si formano principalmente dall’ossidazione delle catene laterali di valina, leucina, isoleucina, lisina, glutamina, arginina e prolina. A causa della loro elevata occorrenza e dell’istituzione di metodi facili da maneggiare, i carbonili proteici sono il marcatore quantitativo più spesso utilizzato della modificazione ossidativa delle proteine. (Per l’interpretazione dei riferimenti al colore in questa legenda della figura, il lettore è rinviato alla versione web di questo articolo.)

.