Comparison of Predicted pKa Values for Some Amino-Acids, Dipeptides and Tripeptides, Using COSMO-RS, ChemAxon and ACD/Labs Methods Comparaison des valeurs de pKa de quelques acides aminés, dipeptides et tripeptides, prédites en utilisant les méthodes COSMO-RS, ChemAxon et ACD/Labs

Abstract

Liquid-phase pKa values play a key role in food science. Chemical properties of molecules depend largely on whether they are ionized or not. Most organic molecules are capable of gaining and/or losing a proton in aqueous solutions. Proton transfer most. frequently occurs between water and any ionizable atom of the organic molecule. The molecule’s response to profanation or deprotonation depends significantly on the site that was disturbed by proton transfer. Partial charge distribution in the molecule also varies with protonation of the acidlbase active sites. Then it can he used to determine the pKa of a molecule. First, we use the COSMO-RS method, a combination of the quantum chemical dielectric continuum solvation model COSMO with a statistical thermodynamics treatment fin- more Realistic Solvation (RS) simulations, for the direct prediction of pKa constants of about 50 molecules (amino-acids, dipeptides and tripeptides). Then, we compare our results with experimental data and the pKa values predicted using two other methods. We used respectively the ChemAxon method using a program based on the calculation of partial charge of atoms in the molecule and the ACD/Labs method that enables to calculate single pKa values. for all possible dissociation centers when the rest of the molecule is considered neutral, using an internal database containing chemical structures and their experimental pKa values. The averaged Root Mean Square Error (RMSE) of the predicted pKa values for each method compared to experimental results were respectively 0.596 for COSMO-RS, 0.445 for ChemAxon and 0.490 for ACD/Labs. While ACDILabs and ChemAxon are parameterized using a large set ofexperimental data (including several of the studied molecules), the COSMO- RS method was used in a fully predictive way. Regarding these results, COSMO-RS appears as a promising method to predict the pKa values of molecules of interest in food science with scarce available pKa values such as peptides. The final goal of this study is to use the pKa values in a predictive thermodynamics model for products of interest in food industry. For this purpose, the effects of several factors (like conformations set treatment in COSMO-RS calculations, ionic strength effect) that can affect the comparison between observed and predicted pKa data are discussed. Les valeurs de constantes d’acidité (pKa) jouent un rôle très important, en particulier dans l’industrie alimentaire. Les propriétés chimiques des molécules dépendent significativement de leurs états d’ionisation. La plupart des molécules sont capables de gagner et/ou perdre un proton dans les solutions aqueuses. Ce transfert de proton apparaît la plupart du temps entre l’eau et un atome ionisable de la molécule organique. La réponse de la molécule à la protonation ou à la déprotonation dépend significativement du site concerné par le transfert de proton. La distribution partielle des charges dans la molécule varie également en fonction des sites actifs pour la protonation du couple acide; base. Par conséquent on peut l’utiliser pour déterminer le pKa d’une molécule. Dans un premier temps, nous avons utilisé la méthode COSMO-RS, une combinaison du modèle de solvatation diélectrique (COSMO) et d’un traitement de thermodynamique statistique pour des solvants plus réels (RS), pour prédire les constantes de dissociation de 50 molécules environ (des acides aminés, des dipeptides et des tripeptides). Les résultats de pKa obtenus ont été comparés aux valeurs expérimentales, ainsi qu’aux valeurs de pKa prédites par deux autres méthodes. Nous avons utilisé respectivement la méthode ChemAxon, utilisant un programme basé sur le calcul des charges partielles des atomes d’une molécule, et la méthode ACD/Labs qui permet de déterminer des valeurs de pKa pour chaque centre de dissociation en considérant que le reste de la molécule est neutre, en utilisant une base de données internes contenant des structures chimiques ainsi que leurs valeurs expérimentales de pKa. L’écart-type moyen des valeurs prédites vaut respectivement 0,596 pour la méthode COSMO-RS, 0,445 pour la méthode ChemAxon et 0,490 pour la méthode ACD/Labs. Au vu de ces résultats, la méthode COSMO-RS apparaît comme une méthode prometteuse pour prédire les valeurs de pKa de molécules d’intérêt dans l’industrie alimentaire pour lesquelles peu de données de pKa sont disponibles comme les peptides, d’autant plus que les méthodes ACD/Labs et ChemAxon ont été paramétrées en utilisant un grand nombre de données expérimentales (incluant certaines des molécules étudiées dans cet article) alors que la méthode COSMO-RS a été utilisée d’un point de vue purement prédictif. L’objectif final de cette étude est d’utiliser ces valeurs de pKa dans un modèle thermodynamique prédictif pour des produits d’intérêt dans l’industrie alimentaire. Pour ce faire, les effets de certains facteurs (comme le traitement des conformations dans les calculs COSMO-RS,l’infuence de la force ionique) pouvant influencer la comparaison entre les données expérimentales et les données prédites, seront discutés.