Faktor Xa

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Aktivität und Spezifität

Faktor X ist das Zymogen der Serinproteasen. Das aktivierte Enzym (Faktor Xa) ist eine Arg-spezifische Serinprotease, die mit Trypsin verwandt ist, jedoch eine viel engere Substratspezifität aufweist. Die N-terminale γ-Carboxyglutaminsäure (Gla) Domäne bindet etwa 8-10 Calciumionen auf kooperative Weise und vermittelt die Interaktion von Faktor X/Xa mit Phospholipidmembranen. Faktor Xa und der Kofaktor Faktor Va bilden in Anwesenheit von Calciumionen phospholipidgebundene Komplexe. Dieser "Prothrombinase"-Komplex aktiviert Prothrombin etwa 300.000-fach schneller als freies Faktor Xa.

Membran-gebundener Faktor Va bindet mit hoher Affinität an Faktor Xa. In Abwesenheit von Faktor Va bindet Faktor Xa mit einem Kd von etwa 30–100 nM an Phospholipidmembranen. In diesen Reaktionen können Phospholipide als Mittel betrachtet werden, um die dreidimensionale Reaktionsdimension auf zwei Dimensionen zu reduzieren, wodurch die Möglichkeit von Kollisionen zwischen Faktor Xa und membran-gebundenem Faktor Va erhöht wird. Eine effektive Bindung von Faktor X/Xa an Membranen erfordert, dass Phosphatidylserin auf der äußeren Oberfläche exponiert ist, wie es in Vesikeln vorkommt, die von aktivierten Thrombozyten freigesetzt werden: Wenn Thrombozyten aktiviert werden, wird Phosphatidylserin durch Phospholipid-Scramblase nach außen transferiert.

Faktor Xa aktiviert Prothrombin, indem es zwei Peptidbindungen hydrolysiert, sodass die Reaktion über zwei Wege verlaufen kann. In einem Weg führt die Spaltung der Arg320↓Ile321-Bindung zu einem Zwischenprodukt, Meizothrombin, das dann an der Arg271↓Thr272-Bindung gespalten werden kann, um die Fragmente 1-2 und Thrombin zu erzeugen. Während beider Spaltungsprozesse binden Prothrombin und Methylthrombin an dieselbe Stelle und beeinträchtigen den strukturellen Übergang, wodurch die Thrombin-Spaltung verhindert wird. In vitro können Faktor Va und/oder Phosphatidylserin die Spezifität von Faktor Xa modulieren, was zur Vorherrschaft des Methylthrombin-Wegs führt, der allgemein als der physiologisch relevanteste Aktivierungsweg angesehen wird. Faktor Xa aktiviert auch proteolytisch die Faktoren V und VIII sowie Faktor VII und beteiligt sich damit an einer positiven Rückkopplungsschleife, die den Gerinnungsprozess verstärkt.

Faktor Xa kann auch Faktor VIIIa durch Spaltung an Lys36 und Arg336 innerhalb der A1-Untereinheit inaktivieren. Dazu können Methoxycarbonyl-Cyclohexylglycyl-Gly-Arg↓NHPhNO₂ (Spectrozyme Xa), Methansulfonyl-d-Leu-Gly-Arg↓NHPhNO₂ (CBS 31.39) und Bz-Ile-Glu-(Piperidinamid)-Gly-Arg↓NHPhNO₂ (S2337) verwendet werden. Die volle Aktivität von Faktor Xa an diesen Substraten erfordert das Vorhandensein von sowohl Na⁺ als auch Ca²⁺ Ionen, die für die Regulierung seiner katalytischen Domäne verantwortlich sind. Die Substratspezifität wurde detailliert durch Methoden wie proteom-abgeleitete Peptidbibliotheken, Phagenanzeige und fluoreszenzquenchende Substrate untersucht, wobei eine Präferenz für Arg in P1 und Gly oder Ala in P2 festgestellt wurde; leichte Präferenzen für Pro in P4; und aromatische oder aliphatische Reste (insbesondere Phe, Leu oder Tyr) in P2′.

Abbildung 1. Schematische Darstellung der Kristallstruktur der katalytischen Domäne von Faktor Xa (Levigne, S.; et al. 2007)

Biologische Aspekte

Neben der direkten Beteiligung an der Blutgerinnung interagiert Faktor Xa auch mit einer Vielzahl von zellulären Oberflächen-Signalrezeptoren. Daher ist er eng mit verschiedenen zellulären Aktivitäten wie Zellaktivierung, Genexpression und Mitose verbunden. Ein Faktor Xa-Rezeptor, der als Effektor-Cell-Protease-Rezeptor-1 (EPR-1) bezeichnet wird, wurde kloniert und weist einige strukturelle Ähnlichkeiten mit der leichten Kette von Faktor V auf.

EPR-1 bindet nicht an Faktor X, sondern bindet an Faktor Xa, um einen Protease-Rezeptor-Komplex zu bilden, der für die Induktion der Zytokin-Genexpression und die Freisetzung von Thrombozyten-abgeleitetem Wachstumsfaktor verantwortlich ist. In Endothelzellen scheint Faktor Xa seine Wirkung auszuüben, indem er an EPR-1 dockt, gefolgt von der Spaltung und Aktivierung des protease-aktivierten Rezeptors 2 (PAR-2). PAR-2 ist ein Mitglied der Familie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die durch die Spaltung eines N-terminalen Peptids aktiviert wird. Es gibt auch Hinweise darauf, dass Faktor Xa PAR-2 und/oder PAR-1 durch einen Mechanismus aktivieren kann, der unabhängig von EPR-1 ist, wodurch die Zell-Signalgebung in Zellen der Gefäßwand induziert wird. Faktor Xa aktiviert PAR-1, wodurch epithelial-abgeleitete Tumorzellen in die Apoptose eintreten und ihre Migration hemmen können. Faktor Xa hat auch andere physiologische und pathologische Rollen. Er wird in Bronchoalveolarlavageflüssigkeit von Makrophagen aus Mausmodellen von Asthma exprimiert und ist verantwortlich für die Induktion der Mucinproduktion. Faktor Xa vermittelt die Anheftung von Adenovirus 5 an Hepatozyten durch das Hexon-Protein, und basische Reste im Serinpeptidase-Domäne sind entscheidend für diese Interaktion. Im SARS-Coronavirus wird das an den Wirtsrezeptor gebundene Spike-Protein von Faktor Xa in Untereinheiten gespalten, wodurch die virale Infektion erleichtert wird.