Typowe modyfikacje białek i łańcuchów bocznych wywołane przez ROS/RNS. Ten rysunek przedstawia niektóre z głównych odwracalnych i nieodwracalnych modyfikacji białek spowodowanych przez ROS/RNS. W górnej części przedstawiono różne modyfikacje, jakim mogą ulegać białka w komórkach narażonych na stres oksydacyjny. Niektóre z nich to odwracalne modyfikacje oksydacyjne (zielona ramka), które mogą być odwrócone przez komórkową maszynerię enzymatyczną (patrz tekst poniżej); inną odwracalną ścieżką jest modyfikacja przez enzymy komórkowe, która zachodzi w odpowiedzi na stres oksydacyjny (żółta ramka). Modyfikacje te mogą być indukowane przez ROS/RNS bezpośrednio lub przez reakcje enzymatyczne w odpowiedzi na ROS/RNS lub przesunięty stan redoks komórki, powszechnym przykładem jest tu tzw. S-glutationylacja, indukowana głównie przez utlenianie reszt cysteinowych i odwracana w sposób enzymatyczny. Inną kategorią jest powstawanie nieodwracalnych modyfikacji oksydacyjnych przez ROS/RNS, które nie mogą być odwrócone przez enzymy komórkowe (kolor pomarańczowy). Takie białka są zwykle rozpoznawane i degradowane przez wyspecjalizowane komórkowe systemy enzymatyczne. W dolnej części rysunku znajduje się lista oksydacyjnych modyfikacji białek, sklasyfikowanych według ogólnych zasad lub specyficznych reakcji łańcuchów bocznych aminokwasów. Odwracalne modyfikacje występują głównie w resztach cysteiny i metioniny, jedynych dwóch aminokwasach, które mogą być zredukowane/naprawione przez komórkową antyoksydacyjną maszynerię enzymatyczną. Sulfotlenek metioniny (MetSO) może być redukowany przez reduktazy sulfotlenku metioniny Msr-A (specyficzne dla S-stereoizomeru) i Msr-B (specyficzne dla R-stereoizomeru MetSO); obie (Msr-A/B) używają tioredoksyny (Th-(SH)2) jako elementów redukujących; następnie Th-(S-S) jest redukowany do Thr-(SH)2 ponownie przez enzym reduktazę tioredoksyny w sposób zużywający NADPH. Inną resztą aminokwasową bardzo podatną na działanie ROS/RNS jest cysteina. Jej utlenienie powoduje powstawanie w białkach wewnątrz- lub międzycząsteczkowych wiązań krzyżowych (disulfidów). Podobnie jak MetSO, cysteina może być redukowana przez tioltransferazy, które wykorzystują albo glutation (GSH) albo zredukowaną tioredoksynę (Th-(SH)2) w celu redukcji disulfidu (-S-S-) do dwóch oddzielnych grup -SH (sulfhydryli). Spośród różnych etapów utleniania cysteiny, tylko tworzenie rodnika cysteinylowego (białko-Cys-S-) i utlenianie do kwasu sulfenowego (białko-Cys-SOH) jest odwracalne, podczas gdy utlenianie do kwasu sulfinowego i sulfonowego jest nieodwracalne, pomimo jednego znanego i wysoce wyspecjalizowanego wyjątku: sulfiredoksyna jest rzeczywiście zdolna do redukcji kwasu sulfinowego (białko-Cys-SO2H) w peroksydoksynach w reakcji zużywającej ATP. Utrata grup SH może prowadzić do nieprawidłowego składania/rozkładu białek, inaktywacji (centrum katalityczne), obniżenia zdolności antyoksydacyjnych, a także utraty specyficznych funkcji. Różnorodność nieodwracalnych modyfikacji białek znacznie przewyższa liczbę modyfikacji odwracalnych, a ich wspólną cechą jest to, że nie mogą być naprawiane/redukowane przez mechanizm antyoksydacyjny komórki. Takie ogólne modyfikacje (lewe pole opisu w dolnej części tego rysunku) mogą być wywołane przez ataki wysoce reaktywnych rodników, takich jak hydroksyl, które są w stanie wywołać fragmentację białka, podczas gdy atak na glicynę wydaje się odgrywać główną rolę, jak również na prolinę, histydynę i lizynę; ponadto histydyna jest ważna w tworzeniu kowalencyjnych wiązań krzyżowych. Inne zdarzenia to de- i transaminacja (reszt glutaminy i asparaginy), które mogą zachodzić nawet w sposób spontaniczny i nie muszą być mediowane/wywołane przez ROS/RNS. Ponadto wykazano powstawanie tzw. końcowych produktów zaawansowanej glikacji (AGE’s): Nε-karboksymetyllizyny (CML) i Nε-karboksyetyllizyny (CEL), a także różnych dimerów glioksal-lizyna (GOLDs) i dimerów metylglioksal-lizyna (MOLDs) czy pentozydyny . Te AGEs są produktami cukrów i białek, tworząc glikowane białka, które mogą powstać również z metylglioksalu, silnego czynnika glikacyjnego pochodzącego z triozy. Bardzo podatne na modyfikacje oksydacyjne są również lipidy w komórce. Po uszkodzeniach spowodowanych przez ROS/RNS powstają między innymi wysoce reaktywne aldehydy, które są zdolne do reakcji z białkami. Głównymi reaktywnymi aldehydami są 4-hydroksy-2,3-nonenal (HNE, jeden z najliczniejszych produktów peroksydacji lipidów, aldehyd dwufunkcyjny, zdolny do kowalencyjnego sieciowania białek poprzez reakcję z cysteiną, lizyną lub histydyną, a następnie reakcję z resztami lizyny innego białka) , 4-hydroksyheksenal (HHE), dialdehyd malonowy (MDA, tworzy Nε-malondialdehydelizinę z resztami lizyny lub fluorescencyjny addukt 1,4-dihydropirydyno-3,5-dikarbaldehydów) . Aldehydy glioksal i akroleina reagują głównie z lizyną, argininą i histydyną. Odpowiednie produkty końcowe wymienionych reakcji określane są w literaturze jako „zaawansowane produkty końcowe peroksydacji lipidów” (ALEs). Typowym etapem fragmentacji szkieletu białkowego jest utworzenie rodnika alkoksylowego w obrębie białka, który może ulec rozpadowi na drodze tzw. reakcji diamidowej lub α-aminacji. Nieodwracalne modyfikacje oksydacyjne poszczególnych reszt wykazują dużą różnorodność, ale w układach biologicznych można znaleźć kilka dominujących modyfikacji, z których część wymieniona jest w prawym polu opisu w dolnej części tego rysunku. W komórkach powstawanie 3-nitrotyrozyny jest głównie wskazówką na obecność nadtlenoazotynu (ONOO-), dlatego też immunochemiczne wykrywanie 3-nitrotyrozyny stało się ilościowym i jakościowym markerem utleniania białek pod wpływem ONOO-. Dityrozyny powstają głównie w wyniku reakcji dwóch rodników tyrozylowych. Mogą one powstawać w wyniku reakcji łańcuchów bocznych tyrozyny z rodnikami hydroksylowymi, podchlorynem lub nadtlenoazotynem. Ponadto istotną rolę odgrywa pośredniczona przez rodnik hydroksylowy hydroksylacja fenyloalaniny, tyrozyny i tryptofanu oraz porównywalne reakcje histydyny, w wyniku których powstaje 2-oksohistydyna. Karbonyle białkowe są najliczniejszą oksydacyjną modyfikacją białek – tempo ich powstawania jest około 10-krotnie wyższe niż w przypadku jakiejkolwiek innej oksydacyjnej modyfikacji białek. Karbonyle białkowe powstają głównie w wyniku utleniania łańcuchów bocznych waliny, leucyny, izoleucyny, lizyny, glutaminy, argininy i proliny. Ze względu na ich częste występowanie i ustalenie łatwych do zastosowania metod, karbonyle białkowe są najczęściej stosowanym ilościowym markerem oksydacyjnej modyfikacji białek. (W celu interpretacji odniesień do koloru w legendzie tego rysunku, czytelnik jest odsyłany do internetowej wersji tego artykułu.)

.