Impact du résidu voisin sur le pKa des peptides et leurs mobilités en électrophorèse capillaire

Tous les modèles théoriques, mathématiques et empiriques utilisés pour l’évaluation de la mobilité électrophorétique de peptides regroupent trois paramètres de base : la masse du peptide, son nombre de résidus (sa longueur) et sa charge. Or, ces modèles ont une faiblesse commune qui est le paramètre de charge (q). Lors de l’estimation de cette variable, l’usage d’approximation pour les constantes de dissociation acide (pKa) des groupes ionisables des peptides entraîne une erreur sur ce calcul. Une solution utilisée par plusieurs auteurs est de développer les modèles pour la mobilité à bas pH seulement en assumant la protonation complète de tous les groupes acides et basiques.   Afin de comprendre l’effet du résidu acide aminé (a.a.) voisin sur l’ionisation des groupes carboxyles et amines terminaux (Cʹ et Nʹ) d’un peptide, les valeurs de pKa de plusieurs séries de peptides ont été déterminés par CE suite à l’optimisation d’une méthode. Les peptides étudiés étaient de type Z-X et X-Z où X est un ou plusieurs résidus voisins variable tandis que Z est un résidu invariable tel la phénylalanine, la glycine et l’alanine. L’objectif primaire de ce projet consistait à déterminer les valeurs réelles du pKa des groupes Cʹ et Nʹ de 69 peptides afin d’élucider l’effet de leur environnement immédiat, i.e., le résidu voisin. Ce travail systématique de compilation des pKa est une approche rarement utilisée. En ayant accès à ces valeurs, la source d’incertitude sur les constantes d’ionisation des peptides auquel font face beaucoup d’auteurs est éliminée. Ceci permet une analyse plus approfondie de leur comportement électrophorétique.  Pour la série de dipeptides étudiés, nous avons observé que plus l’hydrophobicité du résidu X augmentait, plus les pKa Cʹ et Nʹ baissait selon le résidu Z.  Les résidus X hydrophiles possèdent des chaines latérales chargées ou très polaires qui influencent de façon plus importante le processus d’ionisation que les résidus X hydrophobes. Les données analysées ont aussi permis de déterminer que plus la distance du résidu X au Cʹ ou Nʹ est grande, plus son influence sur le pKa diminue. Également, le prolongement d’un peptide de 1 à 6 résidus, tel les oligoglycines, fait augmenter le pKa-Cʹ et diminuer le pKa-Nʹ via un processus expliqué par la réduction des interactions électrostatiques entre les fonctions Cʹ et Nʹ. Ces résultats illustrent que les pKa Cʹ et Nʹ de peptides ne sont pas exacts lorsqu’ils sont basés uniquement sur l’identité de l’acide aminé terminal, comme c’est le cas pour l’approche classique de modélisation.  Les valeurs de pKa de dipepides obtenus par titrages potentiométriques ont été comparés aux pKa déterminés par CE. Des écarts importants ont été obtenus ce qui a mis en lumière la nécessité de contrôler les protocoles expérimentaux de manière rigoureuse pour mieux comparer les résultats provenant de deux techniques.  Par la suite, à l’aide des mobilités de peptides obtenus expérimentalement à haut et bas pH, nous avons comparé les résultats de modélisations calculés pour les pKa expérimentaux à ceux de la littéraire afin d’évaluer les avantages du modèle d’Offord. Enfin, des simulations de séparations par CE de 9 peptides obtenues avec les programme informatique PeakMaster ont été comparées avec les résultats expérimentaux. Ceci a démontré l’utilité et la supériorité des pKa expérimentaux comparativement aux pKa les plus communément utilisés avec les approches traditionnelles. All theoretical, mathematical and empirical models used to evaluate the electrophoretic mobilities of peptides use three basic parameters: the peptide mass, its number of residues (its length) and its charge. However, all models have a common flaw: the charge parameter (q). When estimating this variable, the use of approximations for the ionization constants (pKa) leads to imprecise values for the calculation. One solution is to limit the development of mobility models to only low pH and assume full protonation of all acidic and basic groups.  In order to understand the effect of the neighboring amino acid (a.a.) residue on the terminal carboxylate and amine functions of a peptide (Cʹ et Nʹ), the pKa values of multiple series of peptides were determined by capillary electrophoresis (CE) using an optimized method. The peptides studied were of the form Z-X and X-Z, where X was one or multiple variable residues and Z was an invariable residue such as phenylalanine, glycine or alanine. The core of this project consisted of determining the actual Cʹ and Nʹ pKa values for 69 peptides to elucidate the effect of their immediate microenvironment. i.e., the effect of their nearest neighbor. This systematic compilation of pKa’s is an approach that is rarely used. With these values on hand, the uncertainty of the ionisation constant that most authors face is almost eliminated and the analysis of the electrophoretic behavior of peptides can be enhanced.  For the peptides studied, we observed that increasing the hydrophobicity of residue X lead to a decrease in Cʹ and Nʹ pKa values, but to different degrees depending on the terminal residue (Z) studied. Hydrophilic X residues possess charged or highly polar side-chains, which influenced Cʹ and Nʹ ionisations to a greater degree than hydrophobic X residues. Additionally, the elongation of a peptide from one to six residues, such as the oligoglycine series studied, lead to an increase in pKa-Cʹ and a decrease in pKa-Nʹ, which might be explained by a diminishing electrostatic interaction between the Cʹ and Nʹ functional groups. These results illustrate that the Cʹ and Nʹ pKa values for peptides are not accurate when based solely on the identity of the Cʹ and Nʹ a.a. residues, which is the classical way peptide charge is estimated for modeling not only mobilities but also chemical and biological reactivity. Potentiometric titration of dipeptides produced pKa values that were compared to pKa’s determined by CE. Significant discrepancies were obtained which brought to light the necessity of rigorously controlling experimental protocols when comparing results obtained with two techniques. Mobility data for high and low pHs were calculated using experimental and literature tabulated pKa values to estimate charge and to therefore understand the benefit gained when applying the Offord mobility model. Finally, simulations of separating 9 peptides by CE were carried out with the computer program PeakMaster and compared with experimental results. This showed the utility and superiority of our cumulated pKa values versus the most widely cited approximate pKa values from the literature.

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