Zusammenfassung
Das Thrombin spielt bei allen Prozessen der Thrombose und der Hämostase eine zentrale Rolle. Es besitzt sowohl enzymatische als auch hormonartige Eigenschaften und kann gerin-nungsfördernd wie auch gerinnungshemmend wirken, Über die Spaltung des Fibrinogens ist das Thrombin der wesentliche Auslöser der Gerinnung; das entstehende Fibrin aggregiert, wird quervernetzt und wirkt so als Kitt in dem wachsenden Thrombus. Die Aktivität des Thrombins ist aber nicht auf diese Fibrinfreisetzung beschränkt; durch limitierte Proteolyse aktiviert es vielmehr auch eine große Zahl anderer Blutfaktoren. So muß z. B. der Faktor XIII erst durch Thrombin aktiviert werden, damit er seinerseits das Fibrin quervernetzen kann. Durch die Aktivierung der gerinnungsfördernden Faktoren V und VIII, die für die Freisetzung weiteren α-Thrombins innerhalb der Gerinnungskaskade notwendig sind, katalysiert das Thrombin seine eigene Freisetzung (positiver Feedbackmechanismus). Thrombin vermag den am intrinsischen (Kontaktphasen-)Aktivierungsweg beteiligten Faktor XI zu aktivieren und so die Gerinnung aufrechtzuerhalten. Die Thrombozytenaggregation, für die Thrombin der potenteste Stimulator ist, wird wesentlich durch die thrombinvermit-telte Aktivierungsspaltung des Thrombinrezep-tors ausgelöst.
Außerdem hat das Thrombin aber eine Reihe von gerinnungshemmenden Funktionen. So wird seine Spezifität durch Bindung an das Oberflächenprotein Thrombomodulin z. B. so verändert, daß das Thrombin vorrangig Protein C aktiviert, das nun seinerseits die gerinnungsfördernden Faktoren Va und Villa inaktiviert. Thrombin verstärkt u. a. auch die Produktion und Sekretion des t-Plasminogenaktivators und anderer Substanzen durch die Endothelzellen.
Thrombin wird in der Leber als Prothrombin synthetisiert und posttranslational (d.h. im Verlaufe der Sekretion) modifiziert. Unter physiologischen Bedingungen bindet das Prothrombin (Faktor II) über Kalziumionen an negativ geladene Phosphölipidmembranen. Zusammen mit den Gerinnungsfaktoren Xa (FXa) und Va (F Va) bildet das Prothrombin in Gegenwart von Kalziumionen und bestimmten Phospholipiden den membranständigen Prothrombinasekomplex. Durch FXa-Spaltung wird aus dem Prothrombin das enzymatisch aktive α-Thrombin (Faktor IIa) freigesetzt und in das Gefäßlumen abgegeben. Durch die Membranbindung dieses und der vorhergehenden Aktivierungsschritte wird die Freisetzung des α-Thrombins auf die Stelle der Gefäßverletzung beschränkt.
Die enzymatische Aktivität des Thrombins wird durch wenige endogene Inhibitoren kontrolliert, insbesondere durch die Serpine Antithrombin, Heparinkofaktor II und Protease Nexin-1 sowie das α 2-Makroglobulin. Die Bindung der Serpine wird bedeutend verstärkt durch das saure Glykosaminoglykan Heparin. Hirudin, ein in den Drüsen des medizinischen Egels gebildeter Gerinnungshemmer, bindet spezifisch und mit hoher Affinität an das Thrombin und vermag es außerordentlich selektiv zu inhibieren.
Darüber hinaus kann eine Vielzahl von zellulären Effekten des Thrombins beobachtet werden, die u. a. zu Entzündungen führen, aber auch zur Heilung bei Gefäßverletzungen beitragen können, wie:
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die Induktion der Thrombozytenaggregation,
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die Stimulierung der Sekretion vieler gerinnungsfördernder Substanzen,
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die mitogene Wirkung auf Fibroblasten und Makrophagen,
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chemotaktische Eigenschaften,
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die Bindung an Endothelzellen und an die subendotheliale extrazelluläre Matrix und
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evtl. die Beteiligung an der Internalisierung monomeren Fibrins.
Untersuchungen von Cunningham et al. 1993 haben gezeigt, daß das Thrombin auch an Prozessen der Gehirnentwicklung und -differenzierung beteiligt sein dürfte. So wird heute angenommen, daß das Zusammenspiel des Thrombins, das den Neuritenabbau von Nervenzellen begünstigt, mit seinen Inhibitoren Protease Nexin-1 und -2, die diesen Prozeß aufhalten, eine wichtige Funktion bei der Ausbildung und Aufrechterhaltung von Nervenzellkontakten spielt. Diese neuronalen Funktionen des Thrombins sind vermutlich neben seinen normalen gerinnungsfördernden Eigenschaften auch zur Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke wichtig.
Es ist sicherlich bemerkenswert, daß ein einziges Molekül so viele unterschiedliche Funktionen ausüben kann, und das bei dem hohen Grad an Spezifität, der für eine optimale Aufrechterhaltung der Hämostase notwendig ist. Mit der erstmals 1989 von uns durchgeführten Röntgenkri-stallstrukturanalyse des humanen α-Thrombins (eines kovalenten Komplexes mit dem synthetischen Inhibitor D-Phe-Pro-Arg-Chlormethyl-keton, PPACK) haben wir die grundsätzlichen strukturellen Eigenschaften des Thrombins klären können. Weitere wichtige Strukturinformationen sind Anfang der 90er Jahre durch die Aufklärung der Thrombinkomplexe mit dem Hirudin, mit Rhodniin und mit Hirudinfragmenten, mit einem Fragment des Fibrinopeptids A, mit dem Prothrombinfragment (Kringel) F2, mit einem DNS-Fragment und mit kleinen synthetischen Thrombininhibitoren sowie der Raumstrukturen des Präthrombin 2, des Prothrombin-fragmentes F1 und verschiedener Serpine hinzugekommen. Alle diese Strukturen gestatten es nun, ein zusammenhängendes Bild der vielfältigen Thrombininteraktionen auf atomarer Ebene zu zeichnen. Das Ziel dieses Kapitels ist es, den derzeitigen Stand unseres Wissens über die vielen Funktionen des Thrombins auf der Grundlage seiner Struktur darzustellen.
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Literatur
Arni RK, Padmanabhan K, Padmanabhan KP et al. (1993) Structures of the non-covalent complexes of human and bovine prothrombin fragment 2 with human PPACK-thrombin. Biochemistry 32:4727–4737
Banner DW, Hadvary P (1991) Crystallographic analysis at 3.0 A resolution of the binding to human thrombin of four active site-directed inhibitors. J Biol Chem 266:20085–20093
Björk I, Lindahl V (1982) Mechanism of the anticoagulant action of heparin. Mol Cell Biochem 48:161–182
Bode W, Huber R (1992) Natural protein proteinase inhibitors and their interaction with proteinases. Eur J Biochem 204:433–452
Bode W, Huber R (1994) Proteinase-protein inhibitor interactions. Fibrinolysis 8:161–171
Bode W, Mayr I, Baumann U et al. (1989) The refined 1.9 Å crystal structure of human α -thrombin: Interaction with D-Phe-Pro-Arg chloromethlyketone and significance of the Tyr-Pro-Pro-Trp insertion segment. EMBO J 8:3467–3475
Bode W, Turk D, Stürzebecher J (1990) Geometry of binding of the benzamidine- and arginine-based inhibitors NA-PAP and MQPA to human α-thrombin. X-ray crystallographic determination of the NAPAP-trypsin complex and modeling of NAPAP-thrombin and MQPA-thrombin. Eur J Biochem 193:175–182
Bode W, Turk D, Karshikov A (1992) The refined 1.9 A X-ray crystal structure of D-PheProArg chloromethylketone inhibited human α-thrombin. Structure analysis, overall structure, electrostatic properties, detailed active site geometry, structure-function relationships. Protein Sci 1:426–471
Brandstetter H, Turk D, Hoeffken W et al. (1992) Refined 2.3 A X-ray crystal structure of bovine thrombin complexes formed with the benzamidine- and arginine-based inhibitors NAPAP, 4-TAPAP and MQPA: A starting point for improving antithrombotics. J Mol Biol 226:1085–1099
Cunningham DD, Farrell DH (1986) Thrombin interactions with cultured fibroblasts: relationship to mitogenic stimulation. Ann NY Acad Sci 485:240–248
Cunningham DD, Pulliam L, Vaughan PJ (1993) Protease nexin-1 and thrombin: Injury related processes in the brain. Thromb Haemost 70:168–171
Degen SJF, MacGillivray RTA, Davie EW (1983) Characterization of the complementary desoxyribonucleid acid and gene coding for human prothrombin. Biochemistry 87:2087–2097
Dodt J, Köhler S, Baici A (1988) Interaction of site specific hirudin variants with α-thrombin. FEBS Lett 229:87–90
Esmon CT (1989) The roles of protein C and thrombomodulin in the regulation of blood coagulation. J Biol Chem 264:4743–4746
Griffith MJ (1982) Kinetics of the heparin-enhanced anti-thrombin/thrombin reaction. Evidence for a template model for the mechanism of action of heparin. J Biol Chem 257: 7360–7365
Grütter MG, Priestle JP, Rahuel J et al. (1990) Crystal structure of the thrombin-hirudin complex: A novel mode of serine protease inhibitor. EMBO J 9:2361–2365
Jakubowski HV, Owen WG (1992) Macromolecular specificity determinants on thrombin for fibrinogen and thrombomodulin. J Biol Chem 264:11117–11121
Jones TA, Zou J-Y, Cowan SW, Kjeldgaard M (1978) Improved methods for building protein models in electron density maps and location of errors in these models. Acta Crystallogr 15:23–31
Kalafatis M, Swords NA, Rand MD, Mann KDG (1994) Membrane dependent reactions in blood coagulation: role of the vitamin K-dependent enzyme complexes. Biochem Biophys Acta 1227:113–129
Kraulis P (1991) MOLSCRIPT: A program to produce both detailed and schematic plots of protein structures. J Appl Cryst 24:946–950
Krishnaswamy S, Mann KG, Nesheim ME (1986) The prothrombinase-catalyzed activation of prothrombin proceeds through the intermediate mezothrombin in an ordered sequential reaction. J Biol Chem 261:8977–8984
Krishnaswamy S, Jones KC, Mann KG (1988) Prothrombinase complex assembly. Kinetic mechanism of enzyme assembly on phospholipid vesicles. J Biol Chem 263:3823–3834
Magnusson S (1971) Thrombin and prothrombin. In: Boyer PD (ed) Enzymes, 3rd edn, pp 277–321, Academic Press, NY London
Martin PD, Robertson W, Turk D et al. (1992) The structure of residues 7–16 of the Aα-chain of human fibrinogen bound to bovine thrombin at 2.3 Å resolution. J Biol Chem 267:7911–7920
Myrmel KH, Lundblad RD, Mann KG (1976) Characteristics of the association between prothrombin fragment 2 and α-thrombin. Biochemistry 15:1767–1773
Nesheim ME (1983) A simple rate law that describes the kinetics of the heparin-catalyzed reaction between anti-thrombin and thrombin. J Biol Chem 258:14708–14717
Padmanabhan K, Padmanabhan KP, Ferrara JD et al. (1993) The structure of α-thrombin inhibited by a 15-mer single stranded DNA aptamer. J Biol Chem 268:17651–17654
Pomerantz MW, Owen WG (1978) A catalytic role for heparin. Evidence for a ternary complex of heparin cofactor thrombin and heparin. Biochim Biophys Acta 535:66–77
Qiu X, Padmanabhan K, Carperos VE et al. (1992) The structure of the hirulog3-thrombin complex and the nature of the S′ subsites of substrates and inhibitors. Biochemistry 31:11689–11697
Qiu X, Yin M, Padmanabhan KP et al. (1993) Structures of thrombin complexes with a designed and a natural exosite peptide inhibitor. J Biol Chem 268:20318–20326
Rasmussen UB, Vouret-Craviari V, Jallat S, et al. (1991) cDNA cloning and expression of a hamster α-thrombin receptor coupled to Ca2+ mobilization. FEBS Lett 288:123–128
Rosenberg RD, Damus PS (1973) The purification and mechanism of action of human antithrombin-heparin cofactor. J Biol Chem 248:6490–6505
Rydel TJ, Ravichandran KG, Tulinsky A et al. (1990) The structure of a complex of recombinant hirudin and human α-thrombin. Science 249:277–280
Rydel TJ, Tulinsky A, Bode W, Huber R (1991) Refined structure of the hirudin-thrombin complex. J Mol Biol 221:583–601
Schechter I, Berger A (1967) On the size of the active site in proteases. I. Papain. Biochem Biophys Res Commun 27:157
Seshadri TP, Tulinsky A, Skrzypczak-Jankun E, Park CH (1991) Structure of bovine prothrombin fragment 1 refined at 2.25 A resolution. J Mol Biol 220:481–494
Skrzypczak-Jankun E, Carperos V, Ravichandran KG et al. (1991) The structure of the hirugen and hirulog 1 complexes of α-thrombin. J Mol Biol 221:1379–1393
Soriano-Garcia M, Padmanabhan K, DeVos AM, Tulinsky A (1992) The Ca2+ ion and membrane binding structure of the Gla domain of Ca-prothrombin fragment 1. Biochemistry 31:2554–2566
Stone SR, Hofsteenge J (1986) Kinetics of the inhibition of thrombin by hirudin. Biochemistry 25:4622–4628
Stubbs MT, Bode W (1993a) A player of many parts: the spotlight falls on thrombin’s structure. Thromb Res 69:1–58
Stubbs MT, Bode W (1993b) Crystal structures of thrombin and thrombin complexes as a framework for antithrombotic drug design. Perspect Drug Discov Des 1:431–452
Stubbs MT, Bode W (1994) Coagulation factors and their inhibitors. Curr Opin Struct Biol 4:823–832
Stubbs MT, Bode W (1995) The clot thickens: clues provided by thrombin structure. Trends Biochem Sci 20:23–28
Stubbs MT, Oschkinat H, Mayr I et al. (1992) The interaction of thrombin with fibrinogen — a structural basis for its specificity. Eur J Biochem 206:187–195
Tollefsen DM, Majerus DW, Blank MK (1982) Heparin cofactor II. Purification and properties of a heparin-depen-dent inhibitor of thrombin in human plasma. J Biol Chem 257:2162–2169
Tulinsky A (1991) The structure of domains of blood proteins. Thromb Haemost 66:16–31
Van de Locht A, Lamba D, Bauer M et al. (1995) Two heads are better than one: crystal structure of the insect derived double domain Kazal inhibitor rhodniin in complex with thrombin. EMBO J 14:5149–5157
Van de Locht A, Stubbs MT, Bauer M, Bode W (1996) Crystallographic evidence that the F2 kringle catalytic domain linker of prothrombin does not cover the fibrinogen recognition exosite. J Biol Chem 271:3413–3416
Vijayalakshmi J, Padmanabhan KP, Mann KG, Tulinsky A (1994) The isomorphous structures of prethrombin2, hirugen-, and PPACK-thrombin: Changes accompanying activation and exosite binding to thrombin. Prot Sci 3:2254–2271
Vitali J, Martin PD, Malkowski MG et al. (1992) The structure of a complex of bovine α -thrombin and recombinant hirudin at 2.8 Å resolution. J Biol Chem 267:17670–17678
Vu TKH, Hung DT, Wheaton VI, Coughlin SR (1991) Molecular cloning of a functional thrombin receptor reveals a novel proteolytic mechanism of receptor activation. Cell 64:1057–1068
Walker FJ, Esmon CT (1979) The effect of prothrombin fragment 2 on the inhibition of thrombin by antithrombin. J Biol Chem 254:5618–5622
Walsmann P, Markwardt F (1981) Biochemische und pharmakologische Aspekte des Thrombininhibitors Hirudin. Pharmazie 36:653–660
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Bode, W., Stubbs, M.T. (1999). Struktur und Funktion des Thrombins. In: Müller-Berghaus, G., Pötzsch, B. (eds) Hämostaseologie. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-07673-6_31
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