A FXIII A alegysége (FXIII-A) a humán transzglutaminázok családjába tartozó multifunkciós fehérje. Elérhető ugyan az irodalomban egy javasolt reakciómechaizmus ezekre az enzimekre, azonban ezt nem támasztják alá QM/MM alapú számítások. A reakciómehanizmust részleteiben vizsgáló in vitro mérések kizárólag a transzglutamináz 2-re érhetők el, a FXIII A alegységre azonban nem. A célunk egy javasolt reakciómechanizmus felállítása volt FXIII-A transzglutamináz reakció első lépésére (tioészter intermedier létrejötte), hibrid QM/MM számítások alapján. A mechanizmust két eltérő QM/MM alapú protokoll szerint is vizsgáltuk: egy ONIOM alapú módszer alkalmazásával, ahol a QM alrendszernél magas szintű MP2 vagy DFT módszereket használtunk, valamint félempirikus QM/MM MD szimulációkat a DFTB3 félempirikus módszerrel. A Cys314-His373 aminosavak ionpár formája lényegesen stabilabbnak bizonyult a neutrális formánál, mindkét protokoll szerint. Az ONIOM-típusú számításaink alapján a tioészter intermedier egy kétlépéses folyamat révén alakul ki,. Az első lépésben történik a nukleofil támadás és az amid –NH2 csoport protonálódása, míg a második lépésben megy végbe az ammónia felszabadulása. Ezzel szemben a QM/MM MD szimulációnkban mindhárom részfolyamat egyetlen elemi lépésben ment végbe. Jelentős mennyiségű információ áll rendelkezésre az irodalomban az antitrombin (AT) pentaszacharid-kötésével és allosztérikus aktiválásával kapcsolatban. Azonban a rendelkezésre álló röntgendiffrakciós szerkezetek nem adnak teljes képet a konformációváltozások dinamikus természetéről, a legkorábbi lépésekkel kapcsolatban pedig csak reakciókinetikai mérések érhetőek el. A munkánk során a kötődési mechanizmust, valamint az AT konformációváltozásait egy javított mintavételezésű MD módszer (GAMD) segítségével vizsgáltuk. Egy nem-aktivált AT konformáció röntgenkrisztallográfiás szerkezetéből kiindulva, két egymástól független MD trajektóriában is sikerült jelentős számú AT konformációt észlelnünk, ahol a pentaszacharid RMSD-je a komplex szerkezetéhez képest alacsony volt. Ezek, valamint további trajektóriák alapján, ahol az AT-pentaszacharid komplexét használtuk kiindulási szerkezetnek, sikerült képet alkotnunk az AT több konformációváltozásáról, például a „hinge” régió kimozdulásáról és a D hélix meghosszabbodásáról. Sikerült megerősítenünk a P hélix korábban egyensúlyi MD szimulációkban megfigyelt jelentős stabilitását az AT nem-aktivált állapotában. „Általánosított korrelációs” számítások révén sikerült meghatároznunk a molekula olyan régióit, melyek feltehetően szerepet játszanak az allosztérikus szignál továbbításában a pentaszacharid-kötőhely felől az FIXa és az FXa faktorok „másodlagos” kötőhelye felé.

The A subunit of factor XIII (FXIII-A) is a multifunctional enzyme belonging to the human transglutaminase family. Although a proposed reaction mechanism has been published for these enzymes, no QM-based calculations have been performed to confirm this. Additionally, the mechanism was studied in details in case of transglutaminase 2, but not in the case of FXIII-A. Our aim was to propose a mechanism for the first step of the reaction (i.e. formation of a thioester intermediate), supported by QM/MM based calculations. The reaction mechanisms were investigted using two different QM/MM based protocols: an ONIOM-based model where high level MP2 or DFT methods were applied to the QM subsystem, and QM/MM MD simulations, where the QM region was treated using the semiempirical method DFTB3. In our calculations using both protocols, the ion pair form of Cys314 and His373 was predicted to be significantly more stable than neutral form. The formation of the thioester intermediate was calculated to be a two-step process using the ONIOM protocol, the nucleophilic attack and the ammonia release took place in the first, the ammonia release in the second step. However, in our QM/MM MD based metadynamics simulations, all three events occurred in the same reaction step. Significant amount of information is available on the allosteric activation mechanism of the serpin antithrombin (AT), which is one of the main regulators of the coagulation cascade. However, the „static” structures obtained by X-ray crystallography cannot provide the full picture on the complex allosteric process. Furthermore, only kinetic measurements are available for the early events of binding. In the present work, the pentasaccharide-binding and conformational behavior of AT was studied by the means of an „advanced sampling” MD technique, GAMD. Using a non-activated AT conformation as starting strucutre, we could observe AT conformations with low RMSD compared to the X-ray structure of the complex in two independent MD trajectories. From these trajectories, as well as additional ones based on the AT-pentasaccharide complex structure, we could gain insight into the conformation changes discussed in the literature, including the expulsion of the hinge region and the expansion of helix D. We have also confirmed the high stability of the P helix in non- activated AT conformations, that was previously proposed based on „equilibrium” MD simulations. Using „generalized” correlation calculations from the trajectories, we could gain insight into the allosteric pathways connecting the pentasaccharide binding site with the FIXa and FXa binding exosites.