Typiska ROS/RNS-medierade modifieringar av proteiner och sidokedjor. Den här figuren visar några av de viktigaste reversibla och irreversibla proteinmodifieringarna som orsakas av ROS/RNS. Den övre delen visar olika modifieringar som vissa proteiner kan genomgå i celler som utsätts för oxidativ stress. Några av dem är reversibla oxidativa modifieringar (grön ruta), som kan upphävas av cellens enzymatiska maskineri (se texten nedan); en annan reversibel väg är modifiering genom cellulära enzymer, som sker som svar på oxidativ stress (gul ruta). Dessa modifieringar kan induceras av ROS/RNS direkt eller av enzymatiska reaktioner som svar på ROS/RNS eller ett förskjutet redoxtillstånd i cellen. Ett vanligt exempel på detta är den s.k. S-glutathionyleringen, som huvudsakligen induceras av oxidation av cysteinrester och reverseras på ett enzymatiskt sätt. En annan kategori är bildandet av irreversibla oxidativa modifieringar av ROS/RNS som inte kan reverseras av cellulära enzymer (orange). Sådana proteiner känns vanligen igen och bryts ned av specialiserade cellulära enzymsystem . I den nedre delen av figuren finns en förteckning över oxidativa proteinmodifieringar, klassificerade efter allmänna principer eller specifika reaktioner av aminosyrans sidokedjor. Reversibla modifieringar finns främst i cystein- och metioninrester, de enda två aminosyror som kan reduceras/repareras av det cellulära antioxidativa enzymmaskineriet. Metioninsulfoxid (MetSO) kan reduceras av metioninsulfoxidreduktaserna Msr-A (specifik för S-stereoisomeren) och Msr-B (specifik för R-stereoisomeren av MetSO); båda (Msr-A/B) använder thioredoxin (Th-(SH)2) som reduktionselement; därefter reduceras Th-(S-S) till Thr-(SH)2 på nytt av enzymet thioredoxinreduktas på ett NADPH-förbrukande sätt. Den andra aminosyrarest som är mycket känslig för ROS/RNS är cystein. Dess oxidation orsakar intra- eller intermolekylära tvärbindningar (disulfider) i proteiner. I likhet med MetSO kan cystein reduceras av tioltransferaser som använder antingen glutation (GSH) eller reducerat thioredoxin (Th-(SH)2) för att reducera en disulfid (-S-S-) till två separata -SH-grupper (sulfhydryls). Av de olika stegen i cysteinoxidationen är endast bildandet av cysteinylradikalen (protein-Cys-S-) och oxidationen till sulfensyra (protein-Cys-SOH) reversibla, medan oxidationen till sulfin- och sulfonsyra är irreversibel, trots ett enda känt och mycket specialiserat undantag: sulfiredoxin kan faktiskt reducera sulfinylsyran (protein-Cys-SO2H) i peroxiredoxiner i en ATP-krävande reaktion . En förlust av SH-grupper kan leda till fel-/avveckling av proteinet, inaktivering (katalytiskt centrum), minskad antioxidativ kapacitet samt förlust av specifika funktioner. Variationen av irreversibla proteinmodifieringar är betydligt fler än de reversibla och har det gemensamt att de inte kan repareras/reduceras av cellens antioxidativa maskineri. Sådana allmänna modifieringar (vänster beskrivningsfält i den nedre delen av figuren) kan framkallas av attacker från mycket reaktiva radikaler som hydroxyl, som kan framkalla fragmentering av proteinet, medan attacker på glycin tycks spela en viktig roll, liksom på prolin, histidin och lysin; dessutom är histidin viktigt för bildandet av kovalenta tvärbindningar. Andra händelser är de- och transaminering (av glutamin- och asparaginrester) som till och med kan ske spontant och som inte behöver medieras/induceras av ROS/RNS . Dessutom har man visat att det bildas så kallade avancerade glycation end products (AGE): Nε-karboximetylyllysin (CML) och Nε-karboxyetylyllysin (CEL) samt olika glyoxal-lysin-dimerer (GOLD) och metylglyoxal-lysin-dimerer (MOLD) eller pentosidin . Dessa AGE:er är produkter av sockerarter och proteiner och bildar glykerade proteiner som även kan uppstå från metylglyoxal, ett potent glykeringsmedel som härrör från trioser. Lipiderna i en cell är också mycket känsliga för oxidativa förändringar. Efter ROS/RNS-medierad skada bildas bland annat mycket reaktiva aldehyder som kan reagera med proteiner. De viktigaste reaktiva aldehyderna är 4-hydroxy-2,3-nonenal (HNE), en av de vanligaste produkterna av lipidperoxidation, en bifunktionell aldehyd som kan kovalent tvärbinda proteiner genom reaktion med antingen cystein, lysin eller histidin, följt av en reaktion med en lysinrest i ett annat protein) , 4-hydroxyhexenal (HHE), malondialdehyd (MDA, bildar Nε-malondialdehyddelysin med lysinrester eller den fluorescerande addukten 1,4-dihydropyridin-3,5-dicarbaldehyd) . Aldehyderna glyoxal och akrolein reagerar huvudsakligen med lysin, arginin och histidin. De motsvarande slutprodukterna av de nämnda reaktionerna kallas i litteraturen ”avancerade lipidperoxidations slutprodukter” (ALEs). Ett typiskt steg i fragmenteringen av proteinets ryggrad är bildandet av en alkoxylradikal inom proteinet, som kan sönderfalla antingen via den så kallade diamid- eller α-amineringsvägen . De irreversibla oxidativa modifieringarna av specifika rester uppvisar en stor variation, men i biologiska system finns flera dominerande modifieringar, varav några anges i det högra beskrivningsfältet i den nedre delen av denna figur. I celler är bildandet av 3-nitrotyrosin huvudsakligen en indikation på närvaron av peroxynitrit (ONOO-), och därför blev den immunokemiska detektionen av 3-nitrotyrosin en kvantitativ och kvalitativ markör för ONOO-medierad proteinoxidation . Dityrosiner bildas huvudsakligen via reaktionen mellan två tyrosylradikaler . Dessa kan bildas genom att tyrosins sidokedjor reagerar med hydroxylradikaler, hypoklorit eller peroxynitrit . Dessutom spelar hydroxylradikalmedierad hydroxylering av fenylalanin, tyrosin och tryptofan en viktig roll, liksom jämförbara reaktioner av histidin som bildar 2-oxohistidin . Proteinkarbonylerna är den vanligaste oxidativa proteinmodifieringen – deras bildningshastighet är cirka 10 gånger högre än för någon annan oxidativ proteinmodifiering. Proteinkarbonylsubstanserna bildas huvudsakligen genom oxidation av valin-, leucin-, isoleucin-, lysin-, glutamin-, arginin- och prolin-sidekedjor. På grund av den höga förekomsten och de lätthanterliga metoderna är proteinkarbonylerna den mest använda kvantitativa markören för oxidativ proteinmodifiering. (För tolkning av hänvisningarna till färg i denna figurlegende hänvisas läsaren till webbversionen av denna artikel)

.