api užití ktroforéz při studiu enzymů Zdeněk Glatz c Reuss 8 S* ■Ši Elektrofore (1909) eonor Michaelis Michaelis Menten Plot w. Vmax ; [S] Km + [S] Vmax asymtote ^m Substrate concentration [S] á elektrofo selius(1902 -1971) li á elektrofo Zónová elektroforéza abilizace ♦Kapi 939 957 A 959 Pol 979 A Kapilární elektroforéza 967 - Hjerten mm kapilára Kapilární elektroforé 1981 - Jorgenson Lukacsová m kapilára A.B U -jJl 10 15 Tim« (minutes) ram of dansyl amino acids 20 Beckman 1987 ki JJdskáb o genomu □ -DGEM-F Hl H 20 CCľGGGG HľCCTC ľ flC ňGT CGHCCTGCfiGGC ňľ CCfl RGCľTCň GT RT ill 6D 10 60 90 C T R Tfl C 100 at ? f. oqrni m m sta n ta 0,23 s1 103s - katalasa 7 . 107s Katalasa 2 H20 Čís 1 molekula enzymu přemění 40 000 000 molekul substrátu za 1 s stanovení koncentrac 3 000 bílkovin Koncentrace atalytická aktivita Substrát dukt Stanovení aktivitv enz j yrr Klinická di Farmakologie - vývoj leci Biotechnologické procesy m Bioanalytická chemie v 5 stanovení aktivity enzymu ♦ Spektrofotometrické ♦ Spektrofluorimetrické ♦ Elektrochemick ♦ Radiochemické ♦ Separační - HPLC, GC, CE nzyme Assays R.Eisenthal and M.J. Danson APPROACH in Enzymatic Analysis Rossomando H P LC EDWARD F. ROSSOMANDO \ I I I I odvCE ■M ♦ Aplikační diverzita nabité i neutrální lá nízkomolekulární i vysokomolekulárni látky chirální i achirální ľ" bakterie i viry Výhody C ♦ Aplikacn ♦Jednoduch CEC v> \ I I I I hody CE ♦ Aplikační diverzita ♦ Jednoduchá instrumentace ♦ Vysoké rozlišení a účinnost separací ♦ Malá spotřeba vzorku ♦ Rychlost analýzy ♦ Malá spotřeba chemikálií a malé množství odpadů hody CE Sri dium enzymovych reakci bi CE Hi capillary I Precapillary Postcapillary Studium enzymových reakcí pomocí CE re-capillary" provedeni : \ \ apnara je používaná pouze pro separaci a dete' - nutná manipu zi enzymovou reakcí a Kinetické stanoven glutathion S-transferass MU 175 H -r: - '2Í -j 100 75 : 21- : /_V-CH-^Hi . GSH GSH rs &5rrin 5í n " 22 Tl ' : Ti- I. conjugate —CH-CH—3H S-CHí-CHC0NHCH2C00H I NHCO CH; C Hi CHĺ N H;} CO O H OH Y-CH-CHj Í-CHi-CHCONHCHiCOOH I NHCOCH2CH2CH(NHi}COOH II. conjugate Conjugate II Conjugate I : -r mir Šišková, Z. et al. J. Sep. Sci., 2005, 28, 1357. cytochrom P450 2C9 mAU 16- 14-12-•:>- 8- 4 ,,, 5' 1 ls^>%,4' cyp2c9 HO-C II 0 N 1 I h c 2' ho-c 0 90 minutes 120 minutes !<~*J........, ^ L 60 minutes 30 minuses Diclofenac on ci . J, IU.—- UJ —kJ 4'-hydroxydiclofenac / 1^ I I Konecny, J. et al. Electrophoresis, 2007. 28, 1229. tudium enzymových reakcí omoci -capiMary" provedení : kapilára je navíc využita i jako reakční - stanovení je a smísení, inkubace, zováno - dávkování, ce, detekce => CE roforeticky zprostředkovaná ikroanalýza ctrophoretically Mediated MicroAnalysis M tC /\/\ J. Bao, RE. Regnier, J. Chromatogr. 608, 217 (1992). rozdílná elektroforetická mobilita enzymu a jeho substrátu(ů) pro vyvolaní reakce pnmo v kapiláře 1 \ ft 4 / I r- l—1 Binir«i _f _| J_> ~! una GWYNETH! TWO Thumbs Up!" EMMA miun mm .:I!-Ti - Menši spotřeb; substrátv. inhib > Vyhodnocovaní A - vvhodnoce Glu-6P + NAD 6P-Glu + NADH inuální mód Zonální mód Suhjslríilc B J. Harmon et al.,J. Chromatogr. A 726,193 (1996). E.S .Kwak et al., Anal. Chim. Acta 397,183 (1999). zonální mód vypnutí el. napětí: "zero potential amplification tudium enzymových reakcí omoci Post-capillary" provedení : vzorek je nejprve separován pomocí CE, na konci kapiláry je reaktor, kde probíhá enzymová reakce - uvedenou variantu nelze u komerčních CE zařízení použít A. Emmer, J. Roeraade, Chromatographia 39 (1994) 271. W porne oci n-ca í C On-line - on-capillary Inkubace + analyza rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity Volba seoa ích podmínek SO2" CN" + S032- 0.1 mM TTAB -15 mM borát pH 9.0 v 1 v ■ — v ■ m M • I III* V~-« I Glatz, Z. et al J. Chromatogr A, 1999, 838, 139. rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity Iba seoarační odmínek so2- CIST + SO32- M ß-alanin - HCl, pH 3.5 rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity Analýza standardů Kapilára: křemenná, vnitřní průměr 75 um, celková délka 64.5 cm, efektivní délka 56 cm Dávkování: 50 mbar/6s Separační napětí: 18 kV (negativní polarita) Teplota kapiláry: 25 + 0,1 °C Detekce: X = 200 nm (šířka pásu 20 nm) Vzorek : 1 mM S2032", 1 mM SCISľ, 25 mM Cl\ľ v 25 mM HEPES pufru (pH 8.5) rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity S oven í aktivity 45 40 10 15 20 TIME [min] 30 rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity Dávkování Short-end Capillary i thefTTíOStatting Diode-array detector Capillary cartridge Vial carousel {thermostatted) Butter replenishment rhodanasa - pre-capillary stanoveni aktivity CALIBRATION CURVES 140: 120: 40: 20: 0: "LONG END INJECTION" s2o32 ' B - "lon& end" injection SCNlmMl_ SCN- s2o32 140: 120: 40: 20: 0: "SHORTEND INJECTION" SCN- rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity hort end" versus „Long end injection" Short-end injection Long-end injection oba analýzy Přesnost migračních časů (n=10) Přesnost plochy píků (n=10) Linearita Korelační koeficient 50 - 5000 \jM 0.9993 mm 0.04 % 0.82 % 50 - 5000 nM 0.9998 Limit detekce 2.5 jiM 5 jiM rhodanasa - pre-capillary stanovení aktivity Stanovení aktivity mAU- 200 150 100 50 15 min 12 min 9 min 6 min 3 min 0 min s2o32 SCN 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Volba separačních parametrů tejný pufr použit jak pro enzymovou reakci, tak pro separaci produktů um rhodanasy: 8.5 BGE pH 8.5 - (nepokryta kapilár pokrytá kapilára) Nováková, S. et al. Electrophoresis,, 2002, 23, 1063. rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Volba separačních parametru Separace anorganických aniontö (S2032~, SCN) robíhá nejlépe při nízkém pH základního elektrolytu eliminace EOF Kombinace metody EMMA s rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Dávkovací a separační parametry Parametr Přesnost migračních časů (n = 10) Přesnost ploch píku (n = 10) 25 mM HEPES Substráty v 25 m M Rhodanasa v 25 mM 25 mM HEPES (pH 8,5) HEPES (pH 8,5) HEPES (pH 8,5) (pH 8,5) | nástřik vzorku Separační napětí 18 kV (negativní polarita) Detekce 200 n m rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Sta n chaelisových konstant Km mAU :;o 200 i;o 100 50 0-* 15 mM ^Q; JLO inM_S1Oř 5mM S,0, 2 mM SO; tlmM S,0,: 0.5 mM S,On mm rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Stanovení Michaelisových konstant Km 3 "a si o o a -1 -0,2S0,002 t) 0,25 -0,004 - --0,006 - 1/ [Na2S203] (1/mmol) ♦ 1 mM KCN *2 mM KCN 5 mM KCN ♦ 10 mM KCN 1,25 CD U,6 0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -1/km(cn") °'3 v 0,2 - y = 0,5839x + 0,0768 i/km(s2o£)^ i_____ 0 ,6 -0,4^^0,2 _0)1 i i i i i i ) 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1 KM (CN-) = 7.60 mM K O,2) 1/ [KCN] (1/mmol) = 13.02 mM rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů Inhibice rhodanasy 2-oxoglutarátem (inhibitor přidán do zóny substrátů) Nováková, S. et al J. Chromatogr. A, 2003, 990, 189. rhodanasa - EMMA stanovení kinet. parametrů I i 2-OG Kz (mM) inhibice S2032 1.40 akompetitivní CIST 3.62 x 10"1 kompetitivní andehalogenasa řEC ROH + X" ■ enovaných derivátů uhlovodíků n o Enantioselektivní organické syntézy haloalkandehalogenasa - pre-capillary stanovení Volba r + H20 -> ROH + Br + H+ 100 mM P-alanin - HC1, pH 3.5 UV 200 nm Separační napětí 18 kV (hegativní polarita) Glatz, Z., et al. J. Chromatogr. A, 2000, 895, 219. haloalkandehalogenasa - pre-capillary stanovení haloalkandehalogenasa - pre-capillary stanovení Nepřímá detekce UV light source O & — g=j O O ^ o © ^ © e © e e ^r-i s=p 7-, o © ^^řfe 3ř 5 mM chroman 0.5 mM TTAB pH 8.5 Nepřímá detekce - 315 nm / 375 nm Separační napětí 15 kV (negativní polarita) haloalkandehalogenasa - pre-capillary stanovení Stanovení aktivity ' strát 1-brombutan Přímá detekce Nepřímá detekce haloalkandehalogenasa - EMMA Dávkovací a separační 7é*\ď\?kf\wy{ o\^\ď\-wď\\\Ě\ vKovaci a separacni parame Základní elektrolyt 0 mM (3-alanin - HCI, pH 3.5 - přímá detekce separační napětí 29,9 kV (negativní polarita) nebo 10 mM chroman 0.1 mM CTAB pH 9.2 - nepřímá detekce separační napětí 18 kV (negativní polarita) Dávkování Dávkovaní 20 mM glycinátový pufr (pH 8.6) : 50 mbar/4s Enzym ve 20 mM glycinátovém pufru (pH 8.6) : 50 mbar/4s Substrát ve 20 mM glycinátovém pufru pufru (pH 8.6) : 50 mbar/4s 20 mM glycinátový pufr (pH 8.6) : 50 mbar/4s Telnarová, M. et al. Electrophoresis, 2004, 25, 290. haloalkandehalogenasa - EMMA ichaelisovy konstanty Km bstrát 1-brombutan Přímá detekce Nepřímá detekce haloalkandehalogenasa - EMMA Stanovení Michaelisovy konstanty Km substrát 1-brombutan Přímá detekce Nepřímá detekce haloalkandehalogenasa - EMMA Stanovení inhibiční konstanty Ki substrát 1-brombutan; inhibitor 1,2-dichloethan Přímá detekce Nepřímá detekce Telnarová, M. et al. Electrophoresis, 2004, 25, 1028. haloalkandehalogenasa - EMMA Stanovení inhibiční konstanty Ki substrát 1-brombutan; inhibitor 1,2-dichloethan Michaelís-Menten AKt = 0,63 mM 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 1.2 |l-bromobutane| (mM) Lineweaver-Burkc 0 2 4 1/(1-brom o butane] (mM) Přímá detekce Michaelis-Menlen = 0,44 m • P = 0mM o 1=1 mM v l=5mM * í = 20 mM 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 [1-bromobutaneJ (mM) Uiieweaver-Burke -1.0 0,0 0,5 1,0 1,5 l/(l-bromo butane) (mM) Nepřímá detekce „Pre-capillary" enzymové stanovení stanovení aktivity ♦ Vysoká ucin ♦ Vysoké rozli Rychlost analýzy „On-capillary" enzymové stanovení studium kinetiky ♦ Vysoká ucin ♦ Vysoké rozli Rychlost analýzy Ai iťnm3H7^rp ♦ Automatizace ♦ Malá množství vzorku Studium kinetiky dvousubstrátové enzymové reakce (60 experimentů) * spotřeba vzorku enzymu — 20 |jl !! * doba studie - 3 hodiny SE !! (10 hodin LE) současnéjaKo m etoda >cytosolická - biotransformace/detoxikace xenobiotik (II fáze) >membránově vázaná - sulfatace glykoprotein sulfotransferasa - EMMA stanovení aktivity a kinetických parametrů Reako PAPS Velmi nestabilní 80 % (20 % PAP) NHn HO v o^\ o- sult1a1 O—CH2 N- LAJ 274 nm o- 0= s=o ô + 4-Nitrophenol HO \ .O OH K -o' % PAP NO, 4-Nitrophenyl suita tel Velmi silný inhibitor reakce Kx = 0-4 jLiM Vytisková, S. et al. J. Chromatogr. A, 2004, 1032, 319. aktivity a Separační odmínky: BGE: 150 mM HEPES, pH 6.5 + 20 mM kyselina cholová Kapilára: LT=31.2 cm (LE = 21cm), 75jim I.D. Napětí: + 10 kV Teplota kapiláry: 37 °C Detekce: 260 nm Dávkování: 0.3 psi/ 5 s lmM PAP nebo 115 mM PAPS N" Standa Enzymové systémy Aktivita enzymů Koncentrace substrátů a inhibitorů ichaelisovy a inhibiční konstanty i > Neenzvmové svstémv • GSH, HCys, Cys, DTT •Ca(ll) • Gentamycin a kanamycm • Kreatin Cr(VI) a Co(ll) metabolism ICytochrome P450J i •.en ih*t Years Discovery (2-10 Years) ■ 2 4 PhaseI 20-90 Healthy Volunteers Used to Determine Safety and Dosage Phase III 1.0DD-5.ÜQ0 Patient Vblunleera Used to hlflnltcir Adverse Reacllüna 1ü Lung-Term Use Additional Post' Marketing Testing G 8 10 12 14 1 Preclinical Testing Laboratory and Animal Testing Phase II 100 300 Patient Volunteers Used Id Look Cor Efficacy and Side Effects FDA Review Approval Approved by the FDA 50 různých CYF podíl na metabolismu 80 % známých léčiv i Jaterni plátky, hepatocyty, mikrosomy rekombinantm enzymy i A CYP3A4 + dextrometorfan x Roztok enzymu Roztok substrátu Reakční směs Produkt reakce Detektor E 6 s Time [min HLM CYP3A4 Zeisbergerová, M. et al. Electrophoresis, 2009, 30, 2378. WM Míchání difúzí TDLFP = Transverse diffusion of laminar flow Deleklor V. Okhonin, X. Liu, S.N. Krylov, Anal. Chem. 77 (2005) 5925 WM Míchání difúzí TDLFP = Transverse diffusion of laminar flow Detektor R. Řemínek, M. Zeisbergerová, M. Langmajerová, Z. Glatz, Electrophoresis, 34 (2013) 2705. difúzí - CYP2C9 + diclofenac Roztok enzymu Roztok substrátu Reakční směs Produkt reakce Detektor difúzí - CYP2C9 + diclofenac R. Řemínek, M. Zeisbergerová, M. Langmajerová, Z. Glatz, Electrophoresis, 34 (2013) 2705. difúzí - CYP2C9 + diclofenac Kombinace TDLFP s MS detekci *10 4 Intent. x-io'1 2L5 1 .ij-qa k — ci- - J a DC 2M. MS 1 OH DC ■ I ■ ™---1". ■ 134 1J04 o^4 200 £20 £40 £60 230 300 320 rrV'2 Figure 10. Mass spectrum of DC and OHDC obtained after in-capillary incubation. Langmajerova, et al. Electrophoresis, v tisku. Chirální seoarace r Ketamin anestetikum a analgetikum v humánní a veterinární medicíně 50 mM TRIS-fosfátový pufr (pH 2.5) obsahující 3 % (w/v) vysoce sulfatovaný Y-cyclodextrin Km ^max , "a (nmol/min/n ("M) mol) 74.22 ± 15.66 ± 5.75 0.52 Kinetická studi Michaelis-Menten S-Ketamine 79.54 ± 8.49 62.91 ± 8.02 66.45 ± 6.62 10.13 ± 0.48 8.18 ± 0.40 7.47 ± 0.31 Řemínek, R. et al. Electrophoresis, v tisku. I \/ ^ ♦ EMMA + homogenní reakční smě nutné optimalizovat ♦ TDLF V -r rsálno - homogenita ??? dium enzymových reakci dium enzymových reakci ELSEVIER Available online at www.sciencedirect.com %* SdenceDirect Journal of Chromatography B, 841 (2006) 23-37 Review JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY ß www, cl scvicr.com /1 ocatc / chromb Determination of enzymatic activity by capillary electrophoresis Zdenek Glatz * Department of Biochemistry, Faculty of Science, Masaryk University Kamenice 5, 625 00 Smo, Czech Republic Received 10 January 2006; accepted 21 February 2006 Available online 30 March 2006 ELSEVIER Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 53 (2010) 1076-1090 ContGnts lists available at SciencoDirect Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis journal horriGpagG: www.GlsGviGr.com/locatG/jpba Review Advances in-capillary electrophoretic enzyme assays Yi Fan, Gerhard K.E. Scriba * Department of Pharmaceutical Chemistry, School of Pharmacy, University ofJena, Philosophenweg 14, D-07743 Jena, Germany Che m. Listy 107, xxx-yyy (2013) Rjeferát STUDIUM ENZYMOVÝCH REAKCÍ KAPILÁRNI ELEKTROFORÉZOU V ONLINE USPOŘÁDÁNÍ ROMAN ŘEMÍNEK, MARTA ZEISBERGEROVÁ a ZDENĚK GLATZ Ústav biochemie, Prírodovedecká fakulta a středoevropský technologický institut, Masarykova univerzita, Kotlářská 2, 611 37 Brno romikí^nail. muni. c z Došlo 19.3.13, přijato 29.5.13. ELSEVIER Available online at www.sciencedirect.com SCIENCE /YT1 DIRECT* Journal of Chromatography A, 1032 (2004) 173-184 JOURNAL OF CHROMATOGRAPHY A www.clscvicr.com/locatc/cliroma Review Electrophoretically mediated microanalysis Soňa Nováková a'b, Sigrid Van Dycka, Arm Van Schepdaela, Jos Hoogmartensa, Zdeněk Glatz^'* a Laboratory for Pharmaceutical Chemistry and Drug Analysis, Faculty of Pharmaceutical Sciences, K.U. Leuven, Van Evenstraat 4, B-3000 Leuven, Belgium b Department of Biochemistry, Faculty of Science, Masaryk University Brno, Kotlářská 2, 611 37 Brno, Czech Republic Record 1 of4 Title: Advances in capillary electrophoretically mediated microanalysis Authors): V anDyck, 3 (V an Dyck, S); Kaale, E (Kaale, E); Novakova, 3 (Novakova, 3); Glatz, Z (Glata, Z); H oogm artens, J (Hoogmartens, J); V an Schepdael, A (V an Schepdael, A) Source: ELECTROPHORESIS Volume: 24 Issue: 22-23 Pages: 38(58-3878 DOI: 10.10 02/alps. 20030563 d" Published: DEC 2003 Record 2 of 4 Title: Advances in capillary electrophoretic ally mediated microanalysis: An update Authors): Zhang, J (Zhang J); Hoogmartens, J (H oogm artens, J); V an Schepdael, A (V an Schepdael, A) Source: ELECTROPHORESIS Volume: 27 Issue: 1 Pages: 35-43 DOI: 10.1002/elps.200500492 Published: JAN 2006 Record 3 of 4 Title: Advances in CE-mediated micro analysis: An update Author(s): Zhang, J (Zhang Jie); H oogm artens, J (Hoogmartens, Jos); V anS chepdael, A (V an Schepdael, Ann) Source: ELECTROPHORESIS Volume: 29 Issue: 1 Pages: 56-65 DOI: 10.1002/elps.200700475 Published: JAN 2008 Record 4 of4 Title: Recent developments and applications of EMMA in enzym atic and derivatization reactions Authors): Zhang, J (Zhang Jie); H oogm artens, J (Hoogmartens, Jos); V anS chepdael, A (V an Schepdael, Ann) Source: ELECTROPHORESIS Volume: 31 Issue: 1 Special Issue: SI Pages: 65-73 DOI: 10.1002/elps.200900373 Published: JAN 2010 742 J. Sep.-Sei. 2009, 32.742 -75g Svetlana M. Krylova Victor Okhonln Sergey N. Kuylov Department of Chemistry, York University, Toronto, Ontario, Canada Review Transverse diffusion of laminar flow profiles -a generic method for mixing reactants in capillary micr ore actor 706 J. Sep.Sei. 3009, 35.70H-71B Jana Krenkova FrantlsekSvec The Mole-cul sr Foundry, E. 0. Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA Review Less common applications of monoliths: IV. Recent developments in immobilized enzyme reactors for proteomics and biotechnology 3550 Review Efecfrophorests 3004, 25, 3550-3563 J ana Krenkovä* Frantisek Foret Immobilized microfluidic enzymatic reactors Institute of AnalyticaI Chemistry, Brno, Czech Republic ěvek Čechů k aračním metodám ěvek Čechů k Vám děkuji pozornost!