Que se faça a luz!

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Por Joey Salgado

Não há quem nunca tenha se impressionado com vaga-lumes perambulando noite adentro. Aquelas gracinhas luminosas piscando feito luzes de natal, parecem faíscas geradas espontaneamente no ar, como inclusive observou Aristóteles e seus asseclas pouco mais de um par de milhares de anos atrás.[1] Para a mente mais inquisidora, seguinte à observação do fato de um inseto curiosamente poder emitir luz, talvez venha esse questionamento: como ele consegue fazer isso? De fato, o processo é um tanto complicado, envolvendo substratos específicos e catálise por enzimas adequadas, além de um ou outro metabólito biológico.
Expandindo-se o número de dados oferecidos para apreciação de vocês, leitores, cito o exemplo dos lightsticks, aqueles brinquedinhos de festas de casamento que geralmente são distribuídos quando a banda já começou a tocar “Balão Mágico” e coisas do gênero. Como o nível alcoólico no sangue geralmente está alto nessa altura do campeonato, talvez isso não desperte tanto o interesse e curiosidade das pessoas quanto vaga-lumes, geralmente encontrados em ambientes mais “verdes” e “limpos”. Mas lightsticks tem mais em comum com esses insetos do que outros insetos tem com vaga-lumes, por incrível que pareça.
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Nesse ponto, talvez seja importante se definir alguns termos. Uma reação química que emita luz como um dos seus produtos de reação é dita quimiluminescente, como definido por Wiedemman em 1888.[2] Se o mesmo processo ocorre em um organismo vivo, e não dentro de uma vidraria de laboratório, refere-se ao mesmo por bioluminescência. Interessante ressaltar que Wiedemman, na mesma publicação,[2] diferenciou a quimiluminescência, fenômeno de “luz fria”, da incandescência, que é a emissão de luz por certos materiais mediante aquecimento. A incandescência, como bem se sabe, resulta do efeito fotolétrico, estudado intensamente por Planck e racionalizado em termos matemáticos por Einstein, o que daria o prêmio Nobel de Física para o último em 1921. A quimi e bioluminescências também são diferentes em seus princípios de funcionamento da triboluminescência, que é a emissão de luz por cristais macerados mecânicamente. Em um quarto escuro, com a visão bem acostumada para a falta de luminosidade, é possível se observar a emissão de luz a partir de cristais de açúcar de cozinha comum, quando submetidos a esmagamento (tentem, é uma ótima brincadeira!). 
A semelhança entre quimi e bioluminescências vem, principalmente, pelo fato de que em ambas há a formação de um intermediário peroxídico cíclico orgânico durante a reação química. Exemplifico esse intermediário de forma geral logo abaixo. Notem que o mesmo é uma cadeia fechada (cíclica), no formato de um anel de quatro átomos (dois de carbono e dois de oxigênio) e que possui uma ligação peroxídica (que é essa ligação química entre dois átomos de oxigênio, O-O). Nesse exemplo, os carbonos estão fazendo apenas duas ligações cada um (para fins de simplificação) sendo que cada um possui mais duas posições livre para se ligar a outros átomos.
intermediário_peroxídico.png
Na reação bioluminescente de vaga-lumes, uma molécula chamada luciferina, na presença de ATP (que é uma “fonte de energia disponível” em seres vivos), oxigênio molecular (O2) e de uma enzima chamada luciferase, forma exatamente esse intermediário peroxídico (notem o mesmo, destacado em vermelho, dentro de uma estrutura molecular mais complexa) (Figura 1).[3,4] Tal intermediário é formado em várias etapas e então decompõem para formar uma molécula de oxiluciferina no ‘estado eletrônico excitado’ (representado pelo símbolo S1). Um ‘estado eletrônico excitado’ pode ser entendido como um estado de maior energia da molécula, que está pronto para perder essa energia em excesso por emissão de calor ou de luz. No caso da oxiluciferina, a mesma perde essa energia emitindo luz, no final do processo de bioluminescência (Figura 1).[3] A reação quimiluminescente que ocorre dentro de lighsticks também leva a formação de um intermediário contendo esse anel peroxídico (Figura 2). Tal mecanismo descrito na Figura 2 foi formulado à medida que uma série de moléculas chamadas 1,2-dioxetanonas foram sintetizadas e estudadas em laboratório, demonstrando que as mesmas decompõem emitindo luz, quando da adição de um catalisador comum a essas duas reações (Figura 3, os grupos ligados ao anel peroxídico pelos carbonos pode mudar, sendo que nesse caso exemplificou-se com a molécula contedo dois grupos metila, -CH3).[5] Utilizando os resultados obtidos no estudo da reação envolvida em lighsticks (chamada de peróxi-oxalato) e 1,2-dioxetanonas, chegou-se à síntese e posterior estudo de moléculas chamadas 1,2-dioxetanos-aril-substituídos, que são capazes de decompor emitindo luz (Figura 4),[5] por uma via mecanística muito parecida com a da bioluminescência de vaga-lumes (Figura 1) (como sempre, notem a formação do anel peroxídico destacado em vermelho). Tanto a bioluminescência de vaga-lumes (Figura 1) quanto a decomposição de 1,2-dioxetanos-aril-substituídos (Figura 4) possuem eficiências de emissão de luz extremamente altas, o que faz desses 1,2-dioxetanos importantes ferramentas analíticas.[5]
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– Figura 1 –

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– Figura 2 –

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 – Figura 3 –

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– Figura 4 –

Agora vem o pulo do gato: de fato, foi o estudo de tais 1,2-dioxetanos-aril-substituídos que permitiu que se entendesse melhor o funcionamento da bioluminescência de vaga-lumes, inclusive, melhorando a compreensão do processo que leva à formação do ‘estado excitado’ emissor de luz. E para tal, foi necessário antes disso estudar a reação de 1,2-dioxetanonas e a reação peróxi-oxalato, que ocorre em lightsticks. Tanto o preparo de 1,2-dioxetanonas e 1,2-dioxetanos-aril-substituídos quanto o estudo dos mecanismos de decomposição dessas moléculas e da reação peróxi-oxalatonão é trivial e fez (e ainda faz…) muitos alunos de pós-graduação e pesquisadores arrancarem os cabelos. A síntese de moléculas peroxídicas isoláveis, ou seja, que podem ser sintetizadas, purificadas, identificadas por técnicas espectrocópicas adequadas, como 1,2-dioxetanonas (Figura 3) e 1,2-dioxetanos-aril-substituídos (Figura 4) é muito complicada, levando de três a quatro anos até que se tenha sucesso em sua preparação. Um processo complicado e trabalhoso para, ao final, “destruir” a substância preparada para vê-la emitindo luz. A recompensa para todo esse esforço é, obviamente, gerar conhecimento que sustente a proposta para o funcionamento de um processo biológico intrigante e, porque não, elegante.
Notem como, algumas vezes, antes de se entender como certas coisas ocorrem em organismos biológicos, é necessário ficar um bom tempo na bancada do laboratório de química. É necessário se usar bem o tubo de ensaio antes de se trazer certos fatos à luz, rs.
Fonte das fotos: vaga-lume e lightsticks.
Referências e notas:
[1] Campbel, A. K.; Chemiluminescence: Principles and Applications in Biology and Medicine; Elis Howard Ltd.: Chichester, 1988.
[2] Wiedemann, E.; Ann. Phys. Chem. 1888, 24, 446. (Em alemão)
[3] Shimomura, O.; Chemical and Biological Generation of Excited States; Adam, W.; Cilento, G., eds.; Academic Press Inc.: New York, 1982.
[4] Interessante notar que, em química orgânica, geralmente não se representa um átomo de carbono pelo seu símbolo “C” em estruturas. Logo, em cada “esquina” formada por ligações químicas (no encontro entre “arestas”, onde não há símbolo algum), deve-se enxergar a presença de um átomo de carbono, com seu respectivo número de hidrogênio, de forma a completar suas quatro ligações de ‘direito’.
[5] Baader, W. J.; Bastos, E. L.; Stevani, C. V.; The Chemistry of Peroxides, Rappoport, Z., ed.; WIley & Sons: Chichester, 2005.
—————-
Em tempo, eu Fernando “Joey Salgado” Heering Bartoloni sou químico, atualmente no doutorado, estudando alguns sistemas orgânicos quimiluminescentes. E estou mais careca a cada ano. Não tenho palavras para expressar minha felicidade por estar participando do Tubo de Ensaios, nessa fantástica oportunidade que me foi dada pelo SBBr. Obrigado.

Discussão - 15 comentários

  1. Roberto Takata disse:

    Bem-vindo, colega de tubo!
    Pregunta. Como eles chegaram à conclusão de que se forma esse anel peroxídico? É possível se isolar o composto nesse estado? Ou é deduzido pela energia envolvida?
    []s,
    Roberto Takata

  2. Fernando Heering disse:

    Takata, obrigado pelo bem-vindo, o mesmo se extende a você, hehe!
    Excelente pergunta. Fato é que tanto esses compostos 1,2-dioxetanos (com o anel peroxídico de quatro membros e sem a carbonila, C=O) quanto algumas 1,2-dioxetanonas (anel com C=O) podem ser sintetizadas, isoladas e caracterizadas por técnicas de Ressonância Magnética Nuclear (RMN), Infravermelho e Raman. Principalmente com RMN de 13C, os deslocamentos químicos dos carbonos ligados aos oxigênios no anel são bem característicos e únicos. Cálculos teóricos dessas estruturas e a simulação dos espectros também confirmaram a observação experimental. O problema é que a estabilidade desses compostos é baixa, sendo que na maioria das vezes os mesmos devem ser manejados em temperaturas abaixo de -40°C, preferivelmente, a -78°C, o que torna a caracterização deles mais complicada que o seu preparo (por exemplo, tem uma 1,2-dioxetanona que sintetizei, que só consegui isolar na temperatura de nitrogênio líquido. Para tirar o RMN foi um sufoco…). Em contrapartida, 1,2-dioxetanos-aril-substituídos são bem mais estáveis, durando dias na temperatura ambiente. Dessa forma, é bem mais tranquilo se estudar esse tipo de peróxidos mais estáveis. Ah, alguns dos mais instáveis, que são os que possuem o anel menos substituído, são explosivos, o que deixa a brincadeira bem mais legal.
    Obrigado pelo comentário, Takata. 🙂
    Abraços!

  3. Chloe disse:

    Mas essa ‘praia’ está ficando cada vez melhor!
    Bem-vindo Joey Salgado! (que até pouco tempo eu achava que era alguém do sexo feminino) : )
    Gostei do trava linguas ‘quimiluminescente’ e fiquei curiosa pra saber porque resolveram chamar a molécula de ‘luciferina’; fica a dica para o Takata. ; )
    No mais, veja se eu entendi o principal: há uma reação química onde se forma uma molécula que, quando é decomposta, gera muita energia que é dispersada em forma de calor ou luz.
    É isso? : )
    Parabéns pela primeira postagem.
    Parabéns ao SBBr em geral, pelos novos convidados; e, ao Atila e Carlos em especial, pela iniciativa do condomínio e pela dimensão que o projeto vem tomando.
    É a famosa relação ‘ganha-ganha’.
    Nós frequentadoras(es) dessa ‘sala de aula virtual’, nas palavras da colega Sibele, agradecemos!
    Abçs. : )
    C.

  4. Oi Joey,
    Muito bacana. Fiat lux.
    Só faltou falar da bioluminescência dos microcrustáceos Cypridina.
    Outra coisa: você não usou espectrometria de massas para caracterizar teus compostos? Deve ser difícil, mesmo.

  5. Sibele disse:

    Que post luminoso!
    Parabéns, Joey! É mais luz por aqui, ajudando a deixar a ciência às claras! Continue nos iluminando! 🙂

  6. Fernando Heering disse:

    Olá, Chloe! Obrigado pelas boas vindas. E sim, XY.
    O principal está muito bem entendido, é isso aí mesmo.
    Luciferina e luciferase são termos gerais, propostos por Dubois no início dos estudos de bioluminescência: R. Dubois, Note sur la fonction photog´enique chez la Pholas dactylus, C. R. Soc. Biol., 1887, 39, 564–566. Dubois cunhou tais termos mediante a observação de que ao se macerar um monte de ‘bundinhas’ de vaga-lumes e se realizar um extrato frio (com água gelada) ou um extrato quente (com água em ebulição) do macerado, ambos os extratos isolados não emitiam luz. Entretanto, ao se misturar uma porção do extrato frio com uma quantidade do extrato quente, a emissão de luz ocorria. Para tal, ele chamou de luciferase o extrato termolábil (que contém principalmente enzimas) e de luciferina o extrato termo-estável (tecnicamente, que possui a(s) substância(s) menos solúvel(veis) em água e que não é desativado por temperaturas altas, como ocorre com enzimas). Daí pra frente, utiliza-se tais termos de forma geral. Cada bicho bioluminescente tem seu par luciferase/luciferina, mas que são diferentes entre vaga-lumes e, por exemplo, fungos bioluminescentes.
    Já a origem do nome, do ponto de vista etimológico, é com o Sr. Takata mesmo. 😉
    Ah, também adoro esse lance de ‘ganha-ganha’, rs!
    Abraço,
    Joey

  7. Fernando Heering disse:

    Olá, Roberto, obrigado.
    De fato, esqueci de falar dos Cypiridina. Mas se fosse falar deles, ia ter que falar de fungos bioluminescentes, e de sistemas baseados em ‘coelenterazinas’ e aí já viu… Daria outra postagem. Oh, wait… 😉
    Quanto à caracterização por espectroscopia de massas, para alguns exemplares mais estáveis de 1,2-dioxetanos-aril-substituídos (mas não tenho certeza…) utilizou-se essa técnica. Entretanto, para as que sintetizei, dada a sua termolabilidade, antes mesmo de conseguir se injetar a solução no aparelho já virou tudo CO2 e cetona. Infelizmente, é bem difícil, como disseste.
    Abraço,
    Joey

  8. Fernando Heering disse:

    Hahaha, oi Sibele! Espero continuar a iluminar as pessoas (tá, isso soou meio esquisito…rs). Obrigado!
    Abraço,
    Joey

  9. Roberto Takata disse:

    Luciferina/luciferase assim como Lúcifer vem do latim lux,icis ‘luz’ + -fer,era,erum

  10. Chloe disse:

    Muito bem Joey e Takata!
    Obrigada pelas esclarecedoras informações adicionais. : )
    Gostei de ver, digo, ler, rs…
    Nota 10 pra vcs!
    Abçs. ; )
    C.

  11. Fernando Heering disse:

    Disponha, Chloe. 😉

  12. Karl disse:

    Muito legal! Faltou talvez dizer que -fer (ferre) quer dizer portador. Então, Lúcifer seria o portador da luz. O seu Fer- de Fernando não tem a ver com isso. Acho que vem de Ferdinand e teria outra raiz.
    Seja bem-vindo Joey Fernando Salgado.

  13. Fernando Heering disse:

    Valeu, Karl! Uma vez vi que Fernando, derivado de Ferdinand, significava “amigo dos cavalos” em algum idioma nórdico. Vai saber…

  14. bacaníssimo você lançar seu primeiro post aqui discorrendo sobre quimiluminescência!
    Muito bem-vindo, Joey!
    Abração,
    Fer (“amiga dos cavalos”?)

  15. Fernando Heering disse:

    Obrigado, Fer! 😉
    Abraço

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