FICHA DE REFERÊNCIA DO ALUNO RELATIVA À EXPERIÊNCIA A: NANOMATERIAIS NATURAIS

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1 FICHA DE REFERÊNCIA DO ALUNO RELATIVA À EXPERIÊNCIA A: NANOMATERIAIS NATURAIS Existem muitos nanomateriais naturais à nossa volta e, nesta experiência, vai aprender que dois materiais muito comuns, o leite e a gelatina, são efectivamente dois destes materiais. As propriedades destes materiais estão directamente ligadas à sua supra-organização molecular que inclui nano-estruturas. Nesta experiência, vai: 1. Preparar gelatina e testá-la com uma caneta laser a fim de confirmar a sua natureza coloidal. 2. Confirmar que o leite é um colóide e tratá-lo com ácido a fim de induzir a sua agregação. Esta experiência oferecer-lhe-á provas práticas da ligação entre estrutura e função e como a manipulação da organização molecular de um material, como o leite, conduz a materiais com cor, odor e gosto diferentes! INFORMAÇÃO DE REFERÊNCIA Nanomateriais naturais Muitos materiais que pertencem ao mundo natural (animal e mineral) possuem propriedades que são resultado de nano-estruturas inerentes. A interacção da luz, da água e de outros materiais com estas nano-estruturas confere aos materiais naturais propriedades extraordinárias que podemos ver com os nossos próprios olhos. Estas nano-estruturas derivam da organização supra-molecular do material: dezenas a centenas de moléculas que estão organizadas em formas e feitios no espectro da nano-escala. Dispomos de centenas de exemplos de nanociência diante dos nossos olhos todos os dias, desde osgas que andam de pernas para o ar num tecto, contrariando aparentemente a gravidade, a borboletas de cores iridescentes e pirilampos que reluzem à noite. Figura 1. Exemplos de nanomateriais naturais. A partir do canto superior esquerdo na direcção dos ponteiros do relógio: uma borboleta, a pata de uma osga, folhas de chagas, leite. (Autoria das imagens: superior esquerda, Wiki Commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3; superior direita: A. Dhinojwala, Universidade de Akron, rede NISE, reproduzida nos termos e condições da rede NISE; inferior esquerda: Wiki Commons, Creative Commons Attribute ShareAlike 3; inferior direita: inano, Universidade de Aarhus, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) Página 1 de 7

2 Encontramos na Natureza soluções espantosas para problemas complexos, na forma de nano-estruturas refinadas a que estão associadas funções precisas. Nesta experiência, os nanomateriais naturais que vai analisar são a gelatina e o leite. Ambos são tipos de colóides. Um colóide é um tipo de mistura química em que uma substância está uniformemente dispersa noutra mas as partículas da substância dispersa estão apenas suspensas na mistura, não estão completamente dissolvidas nela (ao contrário de uma solução). Isto ocorre porque as partículas num colóide são maiores do que numa solução. Em termos gerais, um colóide compõe-se de partículas da gama de variação de nm. São suficientemente pequenas para se dispersarem uniformemente e manter uma aparência homogénea, mas suficientemente grandes para dispersar a luz. As partículas num colóide podem estar tão bem dispersas que têm a aparência de uma solução (nomeadamente, são transparentes). Uma forma simples de testar se uma mistura é uma solução ou um colóide é fazer incidir um raio laser através da mistura: só o colóide dispersará a luz. AVISO: nunca faça incidir um raio laser próximo dos olhos nem olhe directamente para o raio! Nesta experiência, constatará que sem estas nano-estruturas, materiais comuns como o leite perdem a sua aparência e função. Gelatina A gelatina é uma substância sólida e insípida, derivada do colagénio dentro da pele e ossos dos animais. É usada como agente solidificante em produtos alimentares (bolos, etc.), na indústria farmacêutica (ex: cápsulas de gelatina), em produtos cosméticos e em fotografia. A gelatina é uma proteína produzida pela hidrólise parcial do colagénio existente nos ossos, nos tecidos conjuntivos, nos órgãos e em alguns intestinos de mamíferos, como os porcos. No entanto, a gelatina derivada dos peixes está igualmente a tornar-se uma fonte comum. A gelatina encontra-se com frequência na forma de pó. Quando misturada com água, forma uma solução de elevada viscosidade, que se solidifica num gel ao arrefecer, formando um gel colóide. O gel de gelatina liquidifica-se quando aquecido e solidifica quando novamente arrefecido. Assim, a sua existência como um gel está limitada a um intervalo de temperaturas específico. DE QUE FORMA É NANO? Estudos recentes com o Microscópio de Força Atómica (AFM) revelaram que a gelatina é efectivamente formada por numerosas nano-estruturas que têm várias formas, dependendo do tipo de gelatina analisada. Por exemplo, uma análise com o AFM da gelatina extraída da Página 2 de 7

3 pele do peixe-gato (Ictalurus punctatus) revelou a presença de poros anulares com diâmetros de 118 nm em média e nano-agregados esféricos com diâmetro de cerca de 260 nm. A presença destas nanoestruturas prova que a gelatina é um colóide e explica o seu comportamento difusor da luz. Figura 2. Imagens de AFM de gelatina extraída do peixe-gato, revelando a presença de nano-estruturas esféricas. (Autoria da imagem: reproduzida por autorização de Wiley-Blackwell Publishing Ltd de Yang et al., Journal of Food Science (2006), 72(8), pp c430-c440, copyright (2006) Wiley-Blackwell Leite O leite de vaca contém uma série de biomoléculas, como lípidos e proteínas, que se dispersam na água. A quantidade de proteínas é de 2,5 a 3,5%, dependendo da raça do animal, das quais 80% são caseínas (as restantes sendo proteínas de soro). Quatro proteínas formam o grupo de caseínas e são: α s1 -caseína, α s2 -caseína, β-caseína e k-caseína. As caseínas caracterizam-se pelo facto de serem fosfoproteínas que precipitam a 4,6 ph (ponto isoeléctrico), ph esse a que as proteínas do soro lácteo permanecem solúveis. Outra propriedade das caseínas é a sua existência como micelas de caseína, que se encontram na gama de variação de nm. As micelas contêm as caseínas combinadas com cálcio, fosfato e uma pequena quantidade de citrato. Como tal, o leite é um colóide (uma mistura de nanopartículas uniformemente dispersas, mas apenas suspensas num meio líquido). A presença destas micelas determina a cor branca do leite, devido à sua difusão da luz. DA ESTRUTURA À FUNÇÃO A refinada auto-organização molecular das proteínas e dos minerais no leite é fundamental para compreender a sua função natural de transporte de cálcio da mãe para os filhos. Inúmeros estudos revelaram que esta organização resulta em nano-estruturas (micelas de caseína). Na secção seguinte, descreveremos como esta organização é determinada por interacções electrostáticas, mas também por interacções hidrofóbicas entre as proteínas que constituem o leite e alguns minerais associados às proteínas. Sem esta refinada organização, o cálcio não ficaria aprisionado dentro das micelas lácteas e a função biológica do leite não se cumpriria. Página 3 de 7

4 TRANSFORMAÇÃO DO LEITE A transformação do leite por vários tratamentos é generalizadamente usada na indústria de lacticínios. Por exemplo, o iogurte é um produto lácteo fermentado, obtido através da cultura controlada de microrganismos específicos, sobretudo bactérias que convertem a lactose (o açúcar do leite) em ácido láctico. Diminuindo o ph do leite, a sua consistência e sabor alteram-se. Na feitura do queijo, usam-se enzimas para induzir a agregação e precipitação das caseínas. Como discutiremos na secção seguinte, em todos os métodos de transformação do leite, a organização molecular das caseínas altera-se, o que leva ao espessamento, precipitação e outros efeitos. A aparência, sabor e outras macro propriedades do leite estão intimamente associadas com a sua (nano) estrutura supramolecular. Nesta experiência, usará vinagre (uma fonte de ácido) e calor para alterar as propriedades do leite. CASEÍNAS A caseína no leite (que tem um ph próximo da neutralidade, cerca de 6,7) tem carga negativa (o P.I. é 4,6). Todas as caseínas, excepto a k-caseína, possuem a capacidade de ligação a Ca 2+, o que ocorre sobretudo através dos seus resíduos de fosfato. A ligação de Ca 2+ é fundamental para o leite cumprir a sua função, isto é, transportar cálcio (e outros nutrientes) da mãe para os filhos. Cada caseína compõese de uma sequência diferente de peptídeos e tem, por conseguinte, uma estrutura secundária e terciária diferente. MICELAS DE CASEÍNA: ESTRUTURA E FUNÇÃO Julga-se que as caseínas no leite existem como micelas de caseína, na gama de variação de nm. As micelas contêm as caseínas combinadas com o cálcio, o fosfato e a pequena quantidade de citrato. A estrutura das micelas de caseína (como a das próprias caseínas) continua a ser objecto de debate e intensa investigação. Uma vez que todas as caseínas possuem uma região hidrofóbica e uma região polar, julga-se que as interacções hidrofóbicas, assim como as interacções electrostáticas, desempenham um papel na auto-associação das caseínas para formar micelas de caseína. As micelas de caseína diferem dos polímeros das caseínas individuais num aspecto crucial: contêm fosfato de cálcio inorgânico que existe na forma de pequenas inclusões microcristalinas, chamadas nano-agregados de cálcio. O facto de a estabilidade das micelas de caseína não se dever exclusivamente à interacção electrostática foi demonstrado pelo facto de as micelas de caseína se poderem dissociar usando ureia, que é um agente que não quebra as ligações do fosfato de cálcio. Foi colocada a hipótese de dois tipos de ligações entre as caseínas das micelas de caseína: Página 4 de 7

5 - A primeira ligação é hidrofóbica, em que duas ou mais regiões hidrofóbicas de diferentes moléculas (αcaseínas e β caseínas) formam um agregado ligado. Estas estão indicadas como uma barra rectangular na Figura 3. - A segunda ligação é das regiões hidrófilas electricamente carregadas, contendo agregados de fosfoserina que se ligam a nano-agregados de fosfato de cálcio coloidais (indicados como CCP na Figura 3). As k-caseínas não têm o grupo de fosfoserina para ligar com os nano-agregados de cálcio; assim, a sua associação só é possível através de interacções hidrofóbicas. Do mesmo modo, as micelas não podem crescer além das k-caseínas, que por conseguinte actuam como uma membrana exterior na micela. O papel das k-caseínas é estabilizar as micelas de caseína, impedindo o crescimento excessivo e a agregação micelar que, em caso contrário, levaria a precipitação. Figura 3. Modelo de ligação dupla em micelas de caseína, com a, b e k- caseína representadas conforme indicado. Reproduzido de: Horne D.S., Inter. Dairy Journal (1998), 8 (3), , com autorização de Elsevier. DISSOCIAÇÃO E AGREGAÇÃO DAS MICELAS DE CASEÍNA Como se descreveu antes, julga-se que as micelas de caseína apresentam uma estrutura intrincada que é um jogo de interacções hidrofóbicas e electrostáticas. A manutenção da integridade micelar é um exercício de equilíbrio e existem inúmeros métodos para perturbar este equilíbrio. Estes métodos são generalizadamente usados na indústria de lacticínios para fabricar queijo e produtos fermentados, como o iogurte, etc. - o aumento do ph (até cerca de 8) conduz à dissociação das micelas de caseína e o efeito é que o leite aquecido se torna mais translúcido. A razão disto é que o aumento do ph a partir da neutralidade natural converte os grupos de fosfoseril de unidades individualmente carregadas em unidades duplamente carregadas que já não são capazes de ligar os nano-agregados de fosfato de cálcio. A carga negativa aumentada das micelas induz repulsa electrostática e as micelas dissociam-se. - a diminuição do ph até ao ponto isoeléctrico (4,6) induz a dissociação das micelas de caseína. A razão disto é que as micelas de cálcio apenas existem graças à presença do fosfato de cálcio; assim, a sua dissolução causa necessariamente alterações na estabilidade das micelas. Se um ácido (um dador de protões) for adicionado ao leite, os grupos de fosfoseril e de carboxil nas proteínas tornam-se protonadas, deixando assim de ser capazes de interagir electrostaticamente com os nano-agregados de Página 5 de 7

6 fosfato de cálcio e estes são libertados das micelas. Deve notar-se que este facto não causa necessariamente a dissociação das caseínas das micelas. A temperaturas inferiores a 25 C, ocorre uma crescente dissociação mas, de resto, as caseínas permanecem nas micelas. Este efeito será testado nesta experiência, adicionando vinagre (uma fonte de ácido) ao leite frio. A razão reside no facto de a estabilidade das micelas de caseína não estar exclusivamente relacionada com a interacção electrostática, mas também com as interacções hidrofóbicas. As últimas são extremamente dependentes da temperatura: as interacções hidrofóbicas são mais fortes a temperaturas mais elevadas. Por conseguinte, as interacções hidrofóbicas mantêm a estabilidade das micelas de caseína no leite frio quando o seu ph foi diminuído até ao ponto isoeléctrico. Por outro lado, se ocorrer acidificação depois de o leite ter sido aquecido (a cerca de 60 C), as micelas dissociam-se (o fosfato de cálcio é libertado da micela) e agregar-se-ão devido ao aumento das forças electrostáticas e ao aumento da interacção hidrofóbica. Este aspecto será testado neste exercício, adicionando vinagre ao leite quente ou frio. - O ataque da quimosina conduz à precipitação das micelas e à formação de um coalho. Este processo é empregue na fabricação do queijo. A quimosina é uma enzima, que é o princípio activo do coalho, o extracto do estômago do vitelo, usado na feitura do queijo. A quimosina ataca especificamente uma única ligação na k-caseína. Como supramencionado, a presença de k-caseínas é fundamental para a estabilidade global da micela de caseína; assim, a sua ruptura leva a que a micela perca estabilidade, se agregue e forme um coalho. - A adição controlada de bactérias de ácido láctico (bactérias que produzem ácido láctico, tais como o Lactobacillus, o Lactococcus e o Leuconostoc), em condições de transformação específicas, conduz a produtos lácteos fermentados, como o iogurte. Este processo difere da simples acidificação pois o leite é reaquecido e são igualmente incorporadas as proteínas do soro. A coagulação é induzida pela acidificação mas não leva à formação de um coalho e sim a um produto que é mais viscoso do que o leite simples. QUE PODE ESTA EXPERIÊNCIA ENSINAR A RESPEITO DO NANOTECNOLOGIAS? Através deste exercício, aprenderá dois conceitos fundamentais: - Estrutura significa propriedades físicas (cor, odor, etc.): os materiais no mundo natural real, como o leite, têm a aparência que têm graças às refinadas nano-estruturas que possuem. O leite é branco porque contém nanopartículas coloidais (micelas). Se alterarmos a estrutura destas micelas, alteramos algumas das macro propriedades do leite, como a cor e o odor. Página 6 de 7

7 - Estrutura significa função: os materiais naturais têm funções muito específicas que são ditadas pela refinada supra-organização das suas moléculas (nano-estruturas). Se as alterarmos, podemos obter um material com uma nova função. Na produção do queijo, a alteração das micelas de caseína por processos específicos (designadamente, o tratamento com quimosina ou a fermentação com bactérias de ácido láctico) leva à obtenção de produtos diferentes (queijo, iogurte, etc.). É este exactamente o conceito de nanotecnologias: engendrar novos materiais com novas funções a partir da manipulação da sua organização molecular. Página 7 de 7