Typische ROS/RNS-gemedieerde modificaties van eiwitten en zijketens. Deze figuur toont enkele van de belangrijkste omkeerbare en onomkeerbare eiwitmodificaties die door ROS/RNS worden veroorzaakt. Het bovenste deel toont verschillende modificaties die sommige eiwitten kunnen ondergaan in cellen die blootstaan aan oxidatieve stress. Sommige daarvan zijn omkeerbare oxidatieve modificaties (groen kader), die kunnen worden omgekeerd door de cellulaire enzymatische machinerie (zie de tekst hieronder); een andere omkeerbare route is de modificatie door cellulaire enzymen, die optreedt als reactie op oxidatieve stress (geel kader). Deze modificaties kunnen rechtstreeks door ROS/RNS worden geïnduceerd of door enzymatische reacties als reactie op ROS/RNS of een verschoven redox-toestand van de cel; een veel voorkomend voorbeeld hiervan is de zogenaamde S-glutathionylering, die hoofdzakelijk door oxidatie van cysteïneresiduen wordt geïnduceerd en op enzymatische wijze wordt omgekeerd. Een andere categorie is de vorming van irreversibele oxidatieve modificaties door ROS/RNS die niet door cellulaire enzymen ongedaan kunnen worden gemaakt (oranje). Dergelijke eiwitten worden gewoonlijk herkend en afgebroken door gespecialiseerde cellulaire enzymatische systemen. Het onderste deel van de figuur geeft een lijst van oxidatieve eiwitmodificaties, ingedeeld volgens algemene principes of specifieke aminozuurzijketenreacties. Omkeerbare modificaties worden vooral gevonden in cysteïne- en methionineresiduen, de enige twee aminozuren die kunnen worden gereduceerd/hersteld door de cellulaire antioxidatieve enzymatische machinerie. Methioninesulfoxide (MetSO) kan worden gereduceerd door de methioninesulfoxidereductases Msr-A (specifiek voor het S-stereoisomeer) en Msr-B (specifiek voor het R-stereoisomeer van MetSO); beide (Msr-A/B) gebruiken thioredoxine (Th-(SH)2) als reductie-element; hierna wordt Th-(S-S) weer gereduceerd tot Thr-(SH)2 door het enzym thioredoxine-reductase op een NADPH-verslindende manier. Het andere aminozuurresidu dat zeer gevoelig is voor ROS/RNS is cysteïne. De oxidatie ervan veroorzaakt in eiwitten intra- of intermoleculaire cross-links (disulfiden). Net als MetSO kan cysteïne worden gereduceerd door thioltransferasen, die hetzij glutathion (GSH) hetzij gereduceerd thioredoxine (Th-(SH)2) gebruiken om een disulfide (-S-S-) te reduceren tot twee afzonderlijke -SH-groepen (sulfhydryls). Van de verschillende stadia van cysteïneoxidatie zijn alleen de vorming van het cysteïneradicaal (eiwit-Cys-S-) en de oxidatie tot sulfinezuur (eiwit-Cys-SOH) omkeerbaar, terwijl de oxidatie tot sulfinezuur en sulfonzuur onomkeerbaar is, ondanks één bekende en zeer gespecialiseerde uitzondering: sulfiredoxine is namelijk in staat om sulfinezuur (eiwit-Cys-SO2H) in peroxiredoxines te reduceren in een ATP-verslindende reactie. Een verlies van SH-groepen kan resulteren in eiwitmisvouwing/-onvouwing, inactivering (katalytisch centrum), verminderde antioxidatieve capaciteit, alsook het verlies van specifieke functies. De variatie aan onomkeerbare eiwitmodificaties overtreft ruimschoots de omkeerbare en hebben gemeen dat ze niet gerepareerd/gereduceerd kunnen worden door de antioxidatieve machinerie van de cel. Dergelijke algemene modificaties (het linker beschrijvingsveld in het onderste deel van deze figuur) kunnen worden geïnduceerd door aanvallen van zeer reactieve radicalen zoals hydroxyl, die in staat zijn fragmentatie van het eiwit te induceren, terwijl aanvallen op glycine een belangrijke rol lijken te spelen, evenals op proline, histidine en lysine; bovendien is histidine belangrijk bij de vorming van covalente cross-links. Andere gebeurtenissen zijn de- en transaminering (van glutamine- en asparaginaresiduen) die zelfs spontaan kunnen plaatsvinden en niet hoeven te worden gemedieerd/geïnduceerd door ROS/RNS . Voorts is de vorming van zogenaamde advanced glycation end products (AGE’s) aangetoond: Nε-carboxymethyllysine (CML) en Nε-carboxyethyllysine (CEL), alsmede verschillende glyoxal-lysine dimeren (GOLDs) en methylglyoxal-lysine dimeren (MOLDs) of pentosidine . Deze AGE’s zijn producten van suikers en eiwitten, waarbij geglycosyleerde eiwitten worden gevormd die ook kunnen voorkomen bij methylglyoxal, een krachtig glycatiemiddel dat is afgeleid van triosen. Zeer vatbaar voor oxidatieve modificaties zijn ook de lipiden in een cel. Na ROS/RNS-gemedieerde schade worden onder andere zeer reactieve aldehyden gevormd, die met eiwitten kunnen reageren. De voornaamste reactieve aldehyden zijn 4-hydroxy-2,3-nonenal (HNE, een van de meest voorkomende producten van lipideperoxidatie, een bifunctioneel aldehyde dat in staat is eiwitten covalent te cross-linkten via reactie met cysteïne, lysine of histidine, gevolgd door reactie met een lysineresidu van een ander eiwit) , 4-hydroxyhexenal (HHE), malondialdehyde (MDA, vormt Nε-malondialdehydelysine met lysineresiduen of het fluorescerende adduct 1,4-dihydropyridine-3,5-dicarbaldehydes) . De aldehyden glyoxal en acroleïne reageren voornamelijk met lysine, arginine en histidine. De aldus ontstane eindproducten van de genoemde reacties worden in de literatuur “geavanceerde eindproducten van lipide peroxidatie” (ALE’s) genoemd. Een typische stap in de fragmentatie van de eiwitruggengraat is de vorming van een alkoxylradicaal binnen het eiwit, dat kan vervallen via de zogenaamde diamide- of α-aminatieroute. De irreversibele oxidatieve modificaties van specifieke residuen vertonen een grote verscheidenheid, maar in biologische systemen kunnen verscheidene overheersende modificaties worden aangetroffen, waarvan er enkele zijn vermeld in het rechter beschrijvingsveld van het onderste deel van deze figuur. In cellen is de vorming van 3-nitrotyrosine vooral een aanwijzing voor de aanwezigheid van peroxynitriet (ONOO-), en zo werd de immunochemische detectie van 3-nitrotyrosine een kwantitatieve en kwalitatieve merker voor ONOO-gemedieerde eiwitoxidatie. Dityrosines worden hoofdzakelijk gevormd via de reactie van twee tyrosylradicalen . Deze kunnen worden gevormd door de reactie van tyrosinezijketens met hydroxylradicalen, hypochloriet of peroxynitriet . Verder speelt hydroxylradicaal gemedieerde hydroxylering van fenylalanine, tyrosine en tryptofaan een belangrijke rol, evenals vergelijkbare reacties van histidine, waarbij 2-oxohistidine wordt gevormd . Eiwitcarbonylen zijn de meest voorkomende oxidatieve eiwitmodificatie – hun vormingssnelheid is ongeveer 10 keer zo hoog als voor enige andere oxidatieve eiwitmodificatie. Eiwitcarbonylen worden voornamelijk gevormd door oxidatie van valine-, leucine-, isoleucine-, lysine-, glutamine-, arginine- en prolinezijketens. Door hun hoge voorkomen en de invoering van gemakkelijk te hanteren methoden zijn eiwitcarbonylen de meest gebruikte kwantitatieve merkers van oxidatieve eiwitmodificatie. (Voor de interpretatie van de verwijzingen naar kleur in deze figuur legende, wordt de lezer verwezen naar de web-versie van dit artikel.)