Mechanismus
Plasminogen dient als Zymogen, das die fibrinolytische Kaskade durch Bindung an intaktes Fibrin über strukturelle Domänen innerhalb des Plasminogens, die so genannten „Kringle“-Domänen, einleitet. Strukturell gesehen handelt es sich bei den Kringle-Domänen um große Schleifen von Aminosäuren, die durch Disulfidbindungen stabilisiert werden. Diese Kringle-Domänen, die in mehreren Enzymen des fibrinolytischen Systems vorhanden sind, ermöglichen die Bindung von Plasminogen an carboxyterminale Lysinreste und gelten als erste Stufe der Fibrinolyse. Die Plasminogenbindung wird in hämostatischen Thromben durch die Entfernung der carboxyterminalen Lysingruppen reguliert, wenn Fibrin in Gegenwart von Thrombomodulin gebildet wird, das von vaskulären Endothelzellen exprimiert wird. Thrombomodulin bindet Thrombin und beginnt mit der Bildung von Carboxypeptidase B, die ihrerseits freie carboxyterminale Lysinreste abspaltet. Dieser Regulationsschritt verhindert die vorzeitige Lyse von Gerinnseln, die eine hämostatische Funktion haben, und begrenzt die Plasminogenaktivierung bei großen, sich aktiv bildenden Thromben. Sobald Plasminogen jedoch an Fibrin gebunden ist, kommt es zu einer Konformationsänderung in der Plasminogenstruktur, die die Anfälligkeit des Plasminogens für eine Aktivierung erhöht.
Studien zeigen, dass Plasminogen in drei verschiedenen Konformationsformen existiert: Alpha, Beta und Gamma. Bei der Alpha-Konformation handelt es sich um eine geschlossene Konformation, die vor allem bei zirkulierendem Plasminogen angenommen wird. Die Beta-Konformation oder halboffene Konformation tritt auf, wenn Plasminogen über einen carboxyterminalen Lysinrest an intaktes Fibrin gebunden ist, und schließlich wird die Gamma-Konformation als vollständig offene Konformation beschrieben und tritt auf, wenn Plasminogen an zwei carboxyterminale Lysinreste gebunden ist. Darüber hinaus wird in der Literatur darauf hingewiesen, dass zirkulierendes Plasminogen durch Hydrolysereaktionen modifiziert werden kann, die dazu dienen, die Bindungsaffinität von Plasminogen an Fibrin zu erhöhen. Diese Konformationsformen und Modifikationen ermöglichen eine Regulierung der Plasminogenaktivierung auf molekularer Ebene.
Der physiologisch aktivste Plasminogenaktivator ist der Gewebeplasminogenaktivator (tPA), dessen Produktion und Sekretion überwiegend von Endothelzellen ausgeht. Die endotheliale Freisetzung von tPA wird durch zahlreiche lokale Reize ausgelöst, darunter Scherstress, Thrombinaktivität, Histamin und Bradykinin. Bei der Synthese enthält tPA fünf Strukturdomänen, darunter eine Fibronektin-Fingerdomäne, zwei Ringdomänen, die den Ringstrukturen des Plasminogens entsprechen, ein Analogon des epidermalen Wachstumsfaktors und eine Serinproteasedomäne. tPA wird zunächst als einkettiges Protein produziert, und in dieser einkettigen Form nimmt seine Affinität zu Plasminogen ab. Sobald Plasmin produziert wurde, wirkt Plasmin in einem positiven Rückkopplungsmechanismus und spaltet tPA in seine zweikettige Form. Diese Form hat eine 10-fach höhere Affinität für die Umwandlung von Plasminogen in Plasmin und beschleunigt die Umwandlungsrate. In einem normalen Patentlumen bleibt tPA durch einen molaren Überschuss seines Inhibitors, des Plasminogenaktivator-Inhibitors-1 (PAI-1), unterdrückt. In Anwesenheit von Fibrin können sich sowohl Plasminogen als auch tPA binden, die konzentrationsabhängige hemmende Wirkung von PAI-1 geht verloren, und tPA wird in eine ausreichende Nähe gebracht, um Plasminogen in aktives Plasmin zu spalten. Diese Aktivierung erfolgt durch Spaltung einer Arg-Val-Peptidbindung im Plasminogen, wodurch die aktive Protease Plasmin entsteht. Dieses Spaltungsereignis ist der gleiche Aktivierungsschritt für alle verschiedenen Plasminogen-Aktivatoren, von denen tPA der am weitesten verbreitete ist.
Der Plasminogen-Aktivator vom Urokinase-Typ (uPA) ist der zweite wichtige Plasminogen-Aktivator und hat bekanntermaßen zahlreiche Funktionen, die über seine Beteiligung an der Plasminogen-Aktivierung hinausgehen. Um proteolytisch aktiv zu werden und an der Aktivierung von Plasminogen teilzunehmen, bindet uPA an einen Zelloberflächenrezeptor auf dem Gefäßendothel. Wie tPA wird auch uPA in einer einkettigen Form mit geringer Affinität für Plasminogen sezerniert, und ähnlich wie tPA gibt es eine aktivere zweikettige Form. Wenn die einkettige uPA an ihren Zellmembranrezeptor bindet und Plasminogen in der Nähe über einen carboxyterminalen Lysinrest gebunden ist, können sich die beiden Proenzyme gegenseitig aktivieren. Es ist wichtig zu beachten, dass die durch uPA vermittelte Aktivierung von Plasminogen im Vergleich zu tPA eine geringere Rolle bei der Aktivierung von Plasminogen spielt. Während uPA und tPA die wichtigsten Aktivatoren von Plasminogen sind, werden in der Literatur mehrere andere Aktivatoren von Plasminogen beschrieben. Dazu gehören Kallikrein sowie Faktor XIa und Faktor XIIa. Der Gesamteffekt dieser Proteasen auf die gesamte Plasmaplasminproduktion wird in der Literatur mit etwa 15 % angegeben.
Nach der Aktivierung gibt es im Plasma Mechanismen, um die Plasminreaktion abzubauen. Die Hemmung von Plasmin erfolgt durch Alpha-Antiplasmin, das zur Familie der Serpin-Proteine gehört. Alpha-Antiplasmin zirkuliert im Plasma in einer relativ hohen Konzentration und hemmt die Aktivität von Plasmin. Gleichzeitig gibt es Mechanismen zur Verringerung der Aktivität von tPA und uPA, was durch die Wirkung von zwei anderen Mitgliedern der Serpin-Familie, Plasminogen-Aktivator-Inhibitor-1 (PAI-1) und Plasminogen-Aktivator-Inhibitor-2 (PAI-2), erreicht wird.
Zahlreiche Zelltypen, darunter Endothelzellen und Thrombozyten, setzen PAI-1 und PAI-2 als Reaktion auf Zytokine frei, die an Entzündungskaskaden beteiligt sind. PAI-1 wird in Endothelzellen produziert. Die Synthese ist stark reguliert, und das produzierte PAI-1 liegt in einer aktiven Form vor, die in Lösung schnell zerfällt. Daraus ergibt sich die Schlussfolgerung, dass PAI-1 und PAI-2 nach ihrer Freisetzung strukturell labil sind und stabilisiert werden müssen. Die Stabilisierung erfolgt durch eine zirkulierende Plasmakomponente namens Vitronectin. Der Vitronectin- und PAI-Komplex weist eine geringere spontane Inaktivierung auf als PAI-1 allein, und der Fibronectin- und PAI-Komplex wird dann durch einen molekularen Verriegelungsmechanismus weiter stabilisiert, indem er sich mit Liganden verbindet, die das labile Strukturzentrum von PAI-1 einschränken. Einmal stabilisiert, bilden PAI-1 und PAI-2 irreversible Komplexe an den Schnittstellen von tPA und uPA und hemmen diese im Gefäßraum. Von den beiden liegt PAI-1 in höherer Konzentration vor und ist im Vergleich zu PAI-2 physiologisch am aktivsten und hemmt sowohl uPA als auch tPA. PAI-2 hingegen hat nachweislich eine minimale Hemmwirkung auf tPA und keine Hemmung von uPA. Es wurde angenommen, dass genetische Polymorphismen von PAI-1 zur Pathogenese atherosklerotischer Erkrankungen beitragen; neuere Meta-Analysen stützen diesen Beitrag jedoch nicht.
Neuere Erkenntnisse weisen auf die endokrine Rolle des Fettgewebes hin, und bei der Plasminogenaktivierung wurde ein aus dem Fettgewebe stammender Plasminogenaktivator-Inhibitor identifiziert. Die Produktion des aus Fettgewebe stammenden Plasminogenaktivator-Inhibitors steigt mit der Zunahme des viszeralen Körperfetts, was zu einer zunehmenden Hemmung der Plasminogenaktivierung und zu einer Dysregulation der Fibrinolyse führt. Es ist bekannt, dass PAI-1 nicht nur die Plasminogenaktivierung hemmt, sondern auch die Umgestaltung der extrazellulären Matrix, die Zelladhäsion und die Motilität stimuliert. Es wird angenommen, dass eine Dysregulation dieser Funktionen Auswirkungen auf fibrotische Erkrankungen, neoplastische Metastasen und Schwangerschaftskomplikationen hat.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Plasminogen in drei verschiedenen Konformationsformen vorliegt, die eine unterschiedliche Zugänglichkeit zur Aktivierungsstelle des Plasminogens ermöglichen. Die Aktivierung kann über mehrere verschiedene katalytische Enzyme erfolgen, wobei tPA und uPA die physiologisch wichtigsten sind. Die Aktivität dieser Plasminogenaktivatoren wird in erster Linie durch PAI-1 und PAI-2 reguliert, während die aktive Form des Plasminogens, Plasmin, durch Alpha-Antiplasmin gehemmt wird, ein Serpin-Protein aus der gleichen Klasse wie PAI-1 und PAI-2.