Estudo computacional da biorredução

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1 Estudo computacional da biorredução Jackson Araujo Lima*, Francisco Ivan da Silva,, Haroldo Araripe C. de Alencar, Égil De Brito Sá, Miguel de Castro Silva, José Milton Elias De Matos, Francisco Carlos M. Da Silva, Allana Kellen Lima Santos. Centro de Ciências da Natureza, Departamento de Química, Universidade Federal do Piauí, Campus Petrônio Portela, Teresina - PI, Brasil *jacksonaraujo_10@hotmail.com Resumo A química quântica surgiu da necessidade de explicar os resultados práticos com os valores teóricos. Com o avanço técnico e científico da ciência, pode-se simular diversas situações práticas com a ajuda de computadores, neste contexto, procura-se determinar teoricamente as cargas de Mulliken, e analisar espectro infravermelho. Estes aspectos são importantes para as reações de biotransformação que ocorrem em vários setores da indústria, esta perspectiva tem vindo a desenvolver pesquisas sobre várias plantas e bactérias como biotransformado em busca de novos biocatalisadores. Palavras chaves: Química quântica, Aspectos, Biotransformações.

2 Introdução O estudo da catálise química é um dos principais temas que vem sendo debatido no meio acadêmico, por ser utilizada em vários ramos industriais. A exemplo temos as indústrias farmacêutica, metalúrgica, alimentícia dentre outras 1. A catálise química consiste na participação de um catalisador em um meio reacional, no qual a função é diminuir a energia de ativação e aumentar a velocidade da reação sem participar do produto final, entretanto, antes dos reagentes chegarem a produtos as moléculas, passaram por um estágio chamado de complexo ativado ou estado de transição, um momento no qual o deslocamento molecular seguirá em eventos, como a quebra ou formação de ligação e o desenvolvimento de cargas, prosseguem até um ponto preciso no qual o decaimento para os substratos ou para os produtos é igualmente provável. Reações de biotransformações consistem em reações químicas catalisadas por enzimas isoladas ou contidas em microrganismos praticamente iguais às da química. As diferenças estão no catalisador utilizado, as enzimas. 2 Pois estas, são proteínas naturais responsáveis por catalisar reações químicas que ocorrem no metabolismo de organismos vivos, a exemplo tem-se as reação de biorredução onde geralmente substratos de cetonas e aldeídos reagem para produzir álcool, fármacos e cosméticos 3. O ponto de partida para a escolha de um biocatalisador em química orgânica envolve a especificidade (quimio-, regio- e enantiosseletividade) e a velocidade que a transformação desejada é efetuada. Estes pontos envolvem atributos relacionados a bases estruturais e mecanísticas das transformações químicas. 3 (momento em que a enzima tem afinidade pelo substrato). O desenvolvimento de novos catalisadores possibilita inúmeros avanços técnicos industriais, nesse contexto, de desenvolvimento por melhores catalisadores se encontram as pesquisas de biotransformações; sendo impulsionados por químicos e bioquímicos a partir do século XIX. O primeiro registro na literatura de redução microbiológica de uma molécula orgânica foi

3 com a redução do furfural a álcool furfurílico em condições anaeróbica de fermentação. 4 Desde então pesquisas vem sendo realizadas em vários ramos da química e da biologia, com objetivo principal o desenvolvimento de novos catalisadores para uso industrial. Novas técnicas de biologia molecular, metodologias de seleção de biocatalisadores e novas abordagens de pesquisa, foram desenvolvidas, afim de, se obter catalisadores com suas especificidades, estereoespecificidade, termoestabilidade alterada e atividade envolvendo técnicas de biologia molecular de mutações sítio dirigidas ou aleatórias. 5 bem como a exploração da biodiversidade. Catalise enzimática As enzimas são catalisadores que aumentam as velocidades das reações de uma ordem de 5 a 17 de grandeza além de serem altamente seletivas entre os seus substratos. As pesquisas de reações de biocatalise estão diretamente relacionadas com a presença de microorganismos e plantas atuando como catalisadores, por intermédio de seu sitio ativo. Devido a isto, estes sítios, são objetos de estudos teóricos do mecanismo enzimático. A cinética das reações de biocatalise são feitos pelo uso da equação de Leonar Michaelis e Maud Menten, (V 0 = ). Em que a velocidade da reação global é determinado pela a formação do ES (enzima substrato).onde V o (Velocidade da quebra de ES para formar o produto), S (Substrato), (constante de Michaelis-Menten), (Velocidade máxima). Substrato da biocatálise Nas reações de biocatálise, a exemplo de biorredução, se utiliza substâncias carbonilada. O mecanismo e a eficiência da reação de biocatálise estão diretamente ligados à nuvem da ligação do grupamento da carbonila, por esta ser uma ligação mais fraca que a ligação sigma ( ). Possuir diferentes interações interatômica e intratomica, essas interação limitam as pesquisa de biocatalise para alguns substratos.

4 O desenvolvimento dos resultados e discussão em trabalhos científicos da biocatálise está em torno dos resultados obtidos através de vários métodos de análise como processos químicos e físicos, o mais comum são as análises da cromatografia em camada delgada (CCD), ou através de métodos instrumentais como cromatografia gasosa acoplada a espectrômetro de massa(cg-em), espectro de infravermelho (IV) e ressonância magnética nuclear(rmn). Os resultados obtidos por estes métodos solidificam os resultados obtidos por outros métodos de análise, por exemplo, a CCD. O estudo da biocatálise e suas aplicações foi escolhido no presente trabalho, por envolver substratos de biotransformações muito utilizados na obtenção de um grande número de produtos de interesse industrial, como fármacos, 9,10 cosméticos, 4 agrotóxicos,entre outros, assim temos o objetivo de analisar e otimizar estes substratos possíveis de serem encontradas para interesse medicinal e/ou econômico. O estudo computacional O uso de computadores a partir de 1950 aprimoraram os resultados obtidos através de cálculos numéricos entre os resultados de um experimento de laboratório e um experimento. As possibilidades de uso desta tecnologia são muito grandes e com o passar dos anos tem evoluído e se modificado, hoje temos muitos programas que facilitam os estudos de química como o Spartan, Arguslab, Hyperchem, Gaussian, Chemsketch dentre outros, assim a química computacional vem sendo desenvolvida nas universidades como uma alternativa para a pesquisa. 11 O desenvolvimento teórico da catálise química está diretamente relacionado com o método Hartree-Fock e da Teoria de Funcional de Densidade (DFT). Tais métodos apresentam uma ótima estimativa da realidade, tanto qualitativa quanto quantitativa das reações catalíticas, além de demonstrar outros aspectos como os enantiômeros (muito importante na produção de fármacos) mais reativos, assim como, as regiões mais reativas(sítios ativos) das moléculas analisadas. Em virtude disto foram

5 escolhidos, estes métodos no desenvolvimento deste trabalho. 12 Procedimentos computacionais A realização dos cálculos computacionais foram desenvolvido através do programa Gaussian03W 6. A preparação dos inputs assim como a visualização do mapa de densidade eletrônica e espectro de infravermelho através do programa GaussView 5.0.Os métodos utilizados foram Hartree-Fock e o funcional híbrido de densidade B3LYP 7, com os conjunto de bases 3-21G, 6-31G, 6-311G escolhidos para calcular as cargas de Mulliken, após os resultados destes, escolheu-se calcular e simular espectros de infravermelho com os métodos Hartree-Fock e o funcional híbrido de densidade B3LYP com conjunto de bases 6-311G, pois assim, como o método Hartree-Fock, este método computacional é reconhecido por seus resultados teóricos. Resultados e discussão. O descobrimento de novos biocalisatores é importante para vários setores industriais, devido às suas especificidades entre as reações químicas. Utilizando os métodos Hartree-Fock e DFT, realizou-se uma análise preliminar, das cargas de Mulliken em torno do grupo carbonila de aldeído e cetonas mostrado na tabela 1, para verificar a reatividade dos substratos além de verificar as cargas do hidrogênio e dos carbonos ligados a este grupo. As cargas de Mulliken nas moléculas benzaldeído, 4-hidróxi- benzaldeido e furfuraldeído, apresentam uma boa aproximação dos resultados práticos e teóricos das cargas atômica em diferentes espécies químicas 7, assim como para os substratos da biocatálise. Cargas de Mulliken para as molécula de benzaldeído, 4-hidróxi- benzaldeido e furfuraldeído com base 6-311G Hartree-fork B3Lyp O H C O H C Benzaldeído hidróxibenzaldeido furfuraldeído Tabela 1: Resultados da Carga de Mulliken

6 Para muitas reações de biocatálise onde se produz álcool, se observa a formação de uma banda de estiramento OH de hidroxila, por volta de 3300 e 3400 cm -1 no espectro de infravermelho. Além de uma banda de estiramento C- O em torno de 1260 e 1000 cm -1. Com estes dados delimitou-se a bandas de estiramento de OH em 2893 cm -1 e de estiramento C-O em 1286 cm -1 para o espectro prático. 8 Analisando-se os espectros obtidos, Foram observada as bandas de estiramento OH e as bandas de estiramento de C-O. Assim, para o funcional híbrido B3LYP e método RHF obteve-se erro relativos de 3.35% e 8,88% para o estiramento OH, se comparado com os resultados práticos, respectivamente, e nível de aproximadamente 99,73% e 99,45% para o estiramento de C-O, respectivamente. Já que, o espectro de infravermelho é o resultado da interação de várias propriedades moleculares, como momento dipolo, cargas moleculares e forças eletrostáticas, pode-se determina que os valores do método DFT com função de base 6-311G se aproxima mais dos valores experimentais. Para mais confiabilidade nos resultados obtidos, pois somente uma análise de infravermelho não determina com precisão qual substância formouse com isso realizou-se um espectro de massa para a reação da semente de Cucumis melo com o benzaldéido. Demonstrado os picos de referência sobre o eixo X pode-se caracteriza a produção de álcool-benzilico. 8 Conclusão Com este trabalho pode-se verificar algumas aplicações da química quântica no entendimento das reações de biocatálise. Os Cálculos computacionais de cargas eletrônicas, densidade eletrônica, momento dipolo; revelaram boa concordância com o esperado experimentalmente os Espectros de infravermelho teóricos e experimental foram concordantes; Assim, pode-se inferir que o calculo teórico fornece uma ferramenta para o estudo de substratos para as reações de biocatalise, de interesse em inúmeras aplicações com o objetivo de descobrir novas aplicações para estas reações.

7 Referências 1. SOUZA, A. A. de.; FARIAS, R. F. de. Cinética Química: Teoria e prática, Editora Átomo: Campinas, OMORI, A. T. Derivados Aromáticos de selênio e telúrio. Aplicação da biocatálise na preparação de selenetos e teluretos Aromáticos Enantiomericos Enrquecidos. São Paulo, f. Tese (Doutorado) - Instituto de Química, Universidade de São Paulo. 3. VEIT, T. Biocatalysis for the production of cosmetic ingredients. Engineering in LifeSciences, 2004, v. 4, p VIERA, E. C.; GAZZINELLI, G. E.; MARES-GUIAS, M. Bioquímica Celular e biologia molecular. 2ª ed, Atheneu, [S.I], BARBIERI, C. et al. Bioreduction of aromatic ketones: preparation of chiral benzyl alcohols in both enantiomeric forms. Journal of Molecular Catalysis B: Enzymatic, 2001, v. 11, p FRISCH, M. J. et al. Gaussian03W, Revision D.01; Gaussian, Inc., Wallingford CT, MARTINS, J. B. L. et al. Análise Teórica da Interação de co, co2 e nh3 com zno. Quim. Nova, 2004, Vol. 27, No. 1, SOLOMONS, T. W. G.;FRYHLE, C. B. Química Orgânica. 8 a ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, vol CONTI, R. de. et al. Biocatálise: avanços recentes.quím. Nova,2001, vol. 24, No. 5, LUNA, H.; Biocatalysis application for preparing intermediates for drug synthesis. Revista de La Sociedad Química de México, 2004, v. 48, p

8 11. SOUZA, A. E.; ECHEVARRIA, A.; SANT ANNA, C. M. R.; NASCIMENTO,M.G. Quím. Nova, 2004,vol.27, n MASERAS, F.;LLEDÓS, A. Computational Modeling of Homogeneous catalysis: catalysis by Metal Complexes. New York: Kluwer Academic Publishers, 2004.