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 deutlich engere Substratspezifität aufweist. Die N‑terminale γ‑Carboxyglutaminsäure-(Gla)-Domäne bindet kooperativ etwa 8–10 Calciumionen und vermittelt die Interaktion von Faktor X/Xa mit Phospholipidmembranen. Faktor Xa und der Kofaktor Faktor Va bilden in Anwesenheit von Calciumionen einen phospholipidgebundenen Komplex. Dieser „Prothrombinase“-Komplex aktiviert Prothrombin etwa 300.000‑fach schneller als freier Faktor Xa.

Membrangebundenes Faktor Va bindet Faktor Xa mit hoher Affinität. In Abwesenheit von Faktor Va bindet Faktor Xa an Phospholipidmembranen mit einer Kd von etwa 30–100 nM. In diesen Reaktionen können Phospholipide als Mittel zur Reduktion der dreidimensionalen Reaktionsdimension auf eine zweidimensionale betrachtet werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen zwischen Faktor Xa und membrangebundenem Faktor Va erhöht wird. Für eine effektive Bindung von Faktor X/Xa an Membranen ist erforderlich, dass Phosphatidylserin auf der äußeren Oberfläche exponiert ist, wie dies bei Vesikeln aus aktivierten Thrombozyten der Fall ist: Bei Thrombozytenaktivierung wird Phosphatidylserin durch eine Phospholipid-Scramblase nach außen transloziert.

Faktor Xa aktiviert Prothrombin durch Hydrolyse zweier Peptidbindungen, sodass die Reaktion über zwei Wege ablaufen kann. In einem Weg führt die Spaltung der Arg320↓Ile321‑Bindung zu einem Intermediat, Meizothrombin, das anschließend an der Arg271↓Thr272‑Bindung gespalten werden kann, wodurch die Fragmente 1–2 und Thrombin entstehen. Während beider Spaltungsprozesse binden Prothrombin und Methylthrombin an dieselbe Stelle und beeinträchtigen die strukturelle Transition, wodurch die Thrombinspaltung verhindert wird. In vitro können Faktor Va und/oder Phosphatidylserin die Spezifität von Faktor Xa modulieren, was zur Dominanz des Methylthrombin‑Wegs führt, der allgemein als der physiologisch relevanteste Aktivierungsweg angesehen wird. Faktor Xa aktiviert zudem proteolytisch die Faktoren V und VIII sowie Faktor VII und ist damit an einer positiven Rückkopplungsschleife beteiligt, die den Gerinnungsprozess verstärkt.

Faktor Xa kann Faktor VIIIa auch durch Spaltung bei Lys36 und Arg336 innerhalb der A1‑Untereinheit inaktivieren. Substrate wie Methoxycarbonyl‑cyclohexylglycyl‑Gly‑Arg↓NHPhNO₂ (Spectrozyme Xa), Methansulfonyl‑d‑Leu‑Gly‑Arg↓NHPhNO₂ (CBS 31.39) und Bz‑Ile‑Glu‑(Piperidin‑amid)‑Gly‑Arg↓NHPhNO₂ (S2337) können für Faktor Xa verwendet werden. Die volle Aktivität von Faktor Xa auf diesen Substraten erfordert die Anwesenheit sowohl von Na⁺‑ als auch von Ca²⁺‑Ionen, die für die Regulation seiner katalytischen Domäne verantwortlich sind. Die Subsite‑Spezifität wurde detailliert mittels Methoden wie proteomabgeleiteten Peptidbibliotheken, Phage Display und fluoreszenzgequenchten Substraten untersucht; dabei zeigte sich eine Präferenz für Arg in P1 und Gly oder Ala in P2, eine leichte Präferenz für Pro in P4 sowie für 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 seiner direkten Beteiligung an der Blutgerinnung interagiert Faktor Xa auch mit einer Vielzahl von Signalrezeptoren auf der Zelloberfläche. Daher steht er in engem Zusammenhang mit verschiedenen zellulären Aktivitäten wie Zellaktivierung, Genexpression und Mitose. Ein Faktor‑Xa‑Rezeptor mit der Bezeichnung Effector Cell Protease Receptor‑1 (EPR‑1) wurde kloniert; er weist einige strukturelle Ähnlichkeiten mit der leichten Kette von Faktor V auf.

EPR‑1 bindet nicht an Faktor X, sondern an Faktor Xa und bildet einen Protease‑Rezeptor‑Komplex, der für die Induktion der Zytokin‑Genexpression und die Freisetzung von Thrombozyten‑abgeleitetem Wachstumsfaktor verantwortlich ist. In Endothelzellen scheint Faktor Xa seine Effekte auszuüben, indem er an EPR‑1 andockt, gefolgt von Spaltung und Aktivierung des proteaseaktivierten Rezeptors 2 (PAR‑2). PAR‑2 ist ein Mitglied der Familie der G‑Protein‑gekoppelten Rezeptoren, das durch Spaltung eines N‑terminalen Peptids aktiviert wird. Es gibt zudem Hinweise darauf, dass Faktor Xa PAR‑2 und/oder PAR‑1 über einen von EPR‑1 unabhängigen Mechanismus aktivieren kann und dadurch die Zellsignalübertragung in Zellen der Gefäßwand induziert. Faktor Xa aktiviert PAR‑1, wodurch epithelial abgeleitete Tumorzellen in die Apoptose eintreten und ihre Migration gehemmt wird. Faktor Xa hat darüber hinaus weitere physiologische und pathophysiologische Rollen. Er wird in Makrophagen der bronchoalveolären Lavageflüssigkeit aus Mausmodellen des Asthmas exprimiert und ist für die Induktion der Muzinproduktion verantwortlich. Faktor Xa vermittelt die Anheftung von Adenovirus 5 an Hepatozyten über das Hexonprotein; basische Reste in der Serinpeptidase‑Domäne sind für diese Interaktion entscheidend. Beim SARS‑Coronavirus wird das an den Wirtsrezeptor gebundene Spike‑Protein durch Faktor Xa in Untereinheiten gespalten, wodurch die Virusinfektion erleichtert wird.