PROFESSOR

PAULO CESAR

PORTAL DE ESTUDOS EM QUÍMICA
 

DICAS PARA O SUCESSO NO VESTIBULAR: AULA ASSISTIDA É AULA ESTUDADA - MANTER O EQUILÍBRIO EMOCIONAL E O CONDICIONAMENTO FÍSICO - FIXAR O APRENDIZADO TEÓRICO ATRAVÉS DA RESOLUÇÃO DE EXERCÍCIOS.

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          Como uma criança, ficamos fascinados pelo brilho dos vaga-lumes de verão. Mas,  o que realmente está acontecendo com eles? A Luz é  uma força tal poderosa em nosso universo que a idéia de um organismo poder criar sua própria luz é algo inacreditavelmente excitante. Como eles estão produzindo esta "luz"? E por que é útil para a sobrevivência deles? Vaga-lumes necessariamente devem  utilizar esta habilidade fantástica para algum propósito importante. Além disso, esse fenômeno pode ser usado para facilitar a vida de nossos cientistas. 

          Nós do NAEQ pretendemos falar um pouco mais sobre a química desse maravilhoso fenômeno da Natureza. Para começar, dum poema sobre o círculo vicioso da vida, Machado de Assis escreve sobre um vaga-lume que invejava o brilho louro da estrela, que por sua vez desejava ser a lua ...(leia ao lado).

          No final do artigo, há uma entrevista exclusiva com o Dr. Etelvino José Henriques Bechara, uma  das maiores autoridades a nível internacional no estudo desse fenômeno.

Círculo Vicioso

 

Bailando no ar, gemia inquieto vaga-lume:
"Quem me dera que eu fosse aquela loira estrela
Que arde no eterno azul, como uma eterna vela!"
Mas a estrela, fitando a lua, com ciúme:

"Pudesse eu copiar-te o transparente lume,
Que, da grega coluna à gótica janela,
Contemplou, suspirosa, a fronte amada e bela"
Mas a lua, fitando o sol com azedume:

"Mísera! Tivesse eu aquela enorme, aquela
Claridade imortal, que toda a luz resume"!
Mas o sol, inclinando a rútila capela:

Pesa-me esta brilhante auréola de nume...
Enfara-me esta luz e desmedida umbela...
Por que não nasci eu um simples vaga-lume?"...

 

Machado de Assis

 

Porque os vaga-lumes emitem luz?         

          No entento de chamar a atenção de sua parceira, o vaga-lume acende sua "lanterna biológica". A intensidade, a velocidade e a freqüência dos flashes variam de acordo com a espécie. As cores de suas lanternas oscilam do verde-amarelado ao laranja, passando pelo vermelho, cor emitida por um único grupo de coleópteros que só se pode encontrar no Brasil.(veja as espécies de coleópteros ao lado)

          O fenômeno da luz brilhante é denominado "Bioluminescência" e diversos organismos possuem essa capacidade de emitir luz. Na definição geral, temos que é "o processo em que luz é produzida por uma reação química que origina no organismo". A Bioluminescência é encontrada principalmente no fundo do oceano mas vaga-lumes também possuem esta habilidade.

          Ambos os sexos de vaga-lumes fazem uso de  um padrão de flash específico que pode variar de um estouro curto a uma sucessão flamejante, contínua e longa. Em suma, a lanterna do vaga-lume é essencialmente um dispositivo de namoro; mas como o vaga-lume gera a luz de fato?

          Pesquisadores da Universidade de Tufts, nos Estados Unidos, descobriram que a mesma substância responsável pelo controle da pressão sanguínea que leva à ereção do pênis, o óxido nítrico, (NO) serve de mensageira entre o impulso elétrico emitido pelos neurônios do vaga-lume e o disparo do flash luminoso. Durante os dois anos de pesquisa, os cientistas americanos demonstraram que a lanterna dos vaga-lumes se acende sempre que se estimula a produção do óxido nítrico.

A família dos vaga-lumes

Quando um vaga-lume, de costas, volta à posição normal de um salto só, ao mesmo tempo em que produz um estalo, um clique, você pode ter a certeza de que ele é um elaterídeo. Sua cor varia do castanho escuro ao marrom avermelhado. Na parte anterior do tórax, os elaterídeos têm duas manchas que, quando apagadas, têm coloração alaranjada. Muita gente acha que essas manchas são os olhos do pirilampo. Mas são suas 'lanternas'. Uma terceira lanterna fica no abdome e só entra em atividade quando o inseto está voando. É tão desenvolvida que chega a emitir um facho de luz de quase um metro de diâmetro. Esses vaga-lumes costumam voar muito alto, acima da copa das árvores. A luz que emitem é contínua. Na lanterna torácica, a luz tem uma tonalidade esverdeada. Na lanterna abdominal, é amarelo-alaranjada. O ciclo de vida dos elaterídeos é longo: dois ou mais anos. Os adultos vivem somente no verão, períodos em que se acasalam. Os ovos são postos em madeiras semi-apodrecidas no interior das matas. Depois de cerca de 15 dias surgem as primeiras larvas, que passarão quase dois anos comendo outros insetos e crescendo, até se transformarem nas pupas, que irão depois virar os insetos adultos.

As fêmeas dos fengodídeos sempre têm aspecto larvar. São comumente conhecidas como bondinho elétrico ou trem de ferro. Algumas espécies de fengodídeos emitem luz vermelha, na região da cabeça, e esverdeada no corpo. Outras emitem luz esverdeada em todo corpo. Os machos, alados, têm pontinhos luminosos em posição e número variáveis, todos no abdome. O ciclo biológico dos fengodídeos é pouco conhecido. Sabe-se que as larvas gostam de comer gongolos, o popular piolho-de-cobra. E são muito vorazes; sugam toda a parte mole do corpo do bicho, dispensando as partes duras. Emitem luz contínua e vivem no chão, à procura de suas presas.

A cor dos lampirídeos varia muito: do castanho-claro ou escuro ao castanho-amarelado ou avermelhado. As lanternas ficam no ventre e variam de tamanho e disposição. Emitem luz esverdeada intermitente durante as poucas horas do entardecer. Habitam matas, campos e cerrados, preferindo os lugares úmidos e alagadiços como os brejos. O ciclo biológico dos lampirídeos é longo. Adultos e larvas alimentam-se com freqüência de caramujos. Em algumas espécies as fêmeas também têm aspecto de larvas, que emitem sua luz por órgãos luminescentes situados no abdome.

 

Vaga-lumes das famílias dos elaterídeos (A), fengodídeos (B) e lampirídeos (C)

fonte: Revista Ciência Hoje On-line: http://www.ciencia.org.br

 

Como os organismos Bioluminescentes trabalham?

 

          A reação química que faz o emissão de luz é interessantíssima. Além do fato de ser algo que chame nossa atenção, é também interessante que 90 a 96% da energia produzida é convertida em luz, e somente de 4 a 10% é convertida em calor, o inverso de uma lâmpada comum!  Abaixo, as reações esquemáticas representando o que acontece nos fotócitos, células especializadas em reações de emissão de luz como produto. Essas células formam um tecido denominado "lanterna", que está conectado à traquéia e ao cérebro, de modo que o inseto pode controlar, ao seu gosto, quando irá desencadear a reação química.

 

          Neste mecanismo, ocorre a oxidação da luciferina (A) pelo oxigênio molecular, reação esta catalizada pela enzima luciferase, gerando a oxiluciferina (E) mais a luz que é observada por nós. (D) A dioxetanona está como uma etapa intermediária (B e C). Este mecanismo apresenta um alto rendimento quântico de bioluminescência (em torno de 0,90 E mol-1), sendo que essa energia produzida pelo inseto é comumente chamada de "luz fria" devido ao seu alto rendimento.

         

          Analisando a molécula (C), podemos perceber que ela possui os componentes fundamentais para que ocorra uma reação quimioluminescente. Na literatura, a sua presença no processo de bioluminescência é inferida, ou seja, não foi comprovada sua existência experimentalmente, porém ela é necessária par manter a lógica bioquímica do processo.

 

 

 

          Em síntese, a reação pode ser esquematizada da seguinte maneira:

Aplicações da bioluminescência

 

          Além da beleza inegável do fenômeno, a molécula luciferina e a enzima luciferase tem aplicação em setores como farmacologia, biologia molecular e alimentação. Abaixo, um quadro mostrando as aplicações.

 

Ficou escuro? O remédio é bom! Implanta-se na bactéria responsável por uma doença o gene que comanda a produção de substância luminescente. Depois, aplica-se o antibiótico. Se continuar brilhando, é porque a bactéria está viva e o remédio não funcionou.
Espermatozóide é para bilhar! Quanto mais ATP (adenosina tri-fosfato) houver no espermatozóide, mais ele brilha ao receber a mistura de luciferina e luciferase. Se cintilar pouco, é sinal que a célula tem pouco ATP; fora de forma e, portanto, pouco fértil
Comida não pode reluzir... Se ascender, o alimento está estragado. A luminescência indica que há bactérias ativas na comida. É que todo o organismo em atividade tem ATP, que desprende luz quando combinado com a luciferina e a luciferase.

Fonte: Revista Superinteressante

 

Veja on-line: "Brilho do vaga-lume é usado na luta contra o câncer"

http://www.bbc.co.uk/portuguese/ciencia/020723_vagalumecb.shtml

 

Mito: Bioluminescência é igual a "Fluorescência", (ou "fosforescência" ou "quimioluminescência")

Fato: Todos os termos estão relacionados com a produção de luz por substâncias químicas, mas só bioluminescência é semelhante a quimioluminescência, mesmo assim são termos que devem ser usados em situações diferentes.

A
fluorescência é uma forma de fotoluminescência em que a emissão de luz desaparece tão logo cessa a absorção da radiação excitadora. (O tempo de vida de uma fluorescência é da ordem de 10-8 s).

Fosforescência é semelhante a fluorescência sendo que o produto excitado é mais estável, de forma a demorar mais tempo (de um microsegundo até minutos) até que a energia seja liberada totalmente. Esse fenômeno está relacionado com o fato dos interruptores de tomada em sua casa brilharem no escuro. Em seu polímero, são colocados pigmentos de fósforo, um elemento que possui propriedades fosforescentes. Não é por nada que o nome "fósforo", elemento químico de número atômico 15, vem do grego, phosphoros, que significa "aquele que brilha", ou "o que conduz, traz a luz".

Quimioluminescência é um termo geral para produção de luz quando a energia de excitação é proveniente de uma reação química (ao invés da absorção de fótons, em fluorescência).

Bioluminescência é a denominação de um fenômeno de  quimioluminescência onde a reação química é realizada em um organismo, como o vaga-lume por exemplo.
 

 

Vamos ao laboratório?

          É possível observar o fenômeno da quimioluminescência por meio de uma experiência relativamente simples:

 

ATENÇÃO

Química não é brincadeira, é coisa séria!

Não cheire nem experimente o gosto de substâncias desconhecidas

Cuidado com as substâncias tóxicas e/ou inflamáveis

Cuidado com respingos na pele e novo olhos

 

Procedimentos

          Vista as luvas de borracha e comece a preparar as soluções reagentes.

          Coloque 500mL de soluções aquosa de hidróxido de sódio 0,1mol/L em um balão de fundo chato. Adicione 0,25g de luminol. Mexa cuidadosamente. Tape o balão com a rolha, cole uma etiqueta escrito "solução de luminol" e reserve. Prepare agora a solução oxidante de peróxido de hidrogênio.

Reagentes e aparelhagem

> 0,25 g de luminol (5-amin-2,3-di-hidro-1,4-ftalazinadiona)

> 500mL de solução aquosa de hidróxido de sódio 0,1mol/L

> 50mL de peróxido de hidrogênio, H2O2, 10 volumes

> água destilada

> 2 balões de fundo chato com capacidade para um litro.

> rolhas para tapar os balões de fundo chato

> etiquetas autocolantes

> 2 provetas graduadas de 100mL

> 1 erlenmeyer de 500mL

> luvas de borracha.

          Coloque em outro balão de fundo chato 50mL de H2O2 10 volumes e complete com água até a marca de 1 litro. Tape o balão com a rolha e agite cuidadosamente. Cole uma etiqueta escrito "solução oxidante" e reserve. Apague a luz do laboratório (não totalmente, senão só Deus sabe o que poderá acontecer :)  Com a ajuda de uma das provetas graduadas meça 100mL da solução de luminol e transfira o líquido para o erlenmeyer.

         Na outra proveta graduada meça 100mL de solução oxidante e adicione à solução de luminol dentro do erlenmeyer.

         Na presença do peróxido de hidrogênio - que nesse caso atua como oxidante - , o luminol reage formando um complexo ativado que se encontra em um estado excitado e energético.

          A transformação  desse complexo ativado no produto final - o íon 3-aminoftalato - ocorre com liberação de energia na forma de uma luz azul visível e brilhante. A reações abaixo esquematizam o que acontece:

 

Fonte: Completamente Química - Martha Reis - Química Orgânica - 2001

 

Entrevista

          O Portal de Estudos em Química (PEQ) entrevistou uma das maiores autoridades da área, pesquisador da USP, Dr. Etelvino José Henriques Bechara, o qual falará para nós um pouco sobre este fenômeno da luminescência e suas aplicações. Para saber mais sobre suas pesquisas, acesse o site: Laboratório de Radicais Livres e Bioluminescência: 

http://www.iq.usp.br/wwwdocentes/ebechara/

 

[ PEQ ] Olá Professor Etelvino, primeiramente gostaríamos de agradecer sua ilustre participação neste artigo. Quando ficamos sabendo do extraordinário rendimento do processo de emissão, onde cerca de 90% da energia produzida é convertida em luz, logo associamos a uma possível fonte de energia. Isso é possível?

 

[ Dr. Etelvino ]

          Sim. Há, por exemplo, relatos e gravuras (Rugendas) sobre o uso da luz emitida por pirilampos para iluminação de choupanas de nativos na América Central. 

          A química da luz dos vaga-lumes inspirou vários pesquisadores a estudarem e descreverem várias reações análogas, chamadas quimioluminescentes, em que a energia química dos reagentes é convertida em luz com rendimentos muito altos.  É o caso da reação dos oxalatos de 2,4,6-triclorofenila e de 2,4-dinitrofenila com peróxido de hidrogênio, em meio básico, na presença de hidrocarbonetos poliaromáticos (ex., 9,10-difenilantraceno, perileno, rubreno, etc). Estes compostos atuam simultaneamente como catalisadores e emissores fluorescentes, cuja cor da fluorescência pode-se escolher à vontade.
          Esta reação foi descrita por Rahut e é a base de produtos comerciais chamados "light sticks" (marca registrada Cyalume) ou lanternas químicas, amplamente usados por mergulhadores, espeleólogos, pequenas clínicas médicas de locais sem luz elétrica, kits de emergência da aviação civil, e até mesmo como enfeite e decoração.

 

[ PEQ ] Hoje, quais são as áreas em que o fenômeno da bioluminescência está sendo usado no Brasil?

 

[ Dr. Etelvino ]

          O principal uso da bioluminescência em todo o mundo, inclusive no Brasil, é na biotecnologia. O gene do vaga-lume (denominado "luc", de luciferase, a enzima que catalisa a reação bioluminescente do vaga-lume) foi clonado e seqüenciado na década dos oitenta pela Dra Marlene DeLuca e pelo Dr. Keith Wood (ambos da University of Califórnia, La Jolla) e logo comercializado como gene repórter da expressão de proteínas na Biologia Molecular, acadêmica e aplicada.
          Causaram furor as fotos de tabaco e tomate luminosos, resultado de sua infecção com bactérias simbiontes transformadas com o gene luc. O desenvolvimento dos programas sobre o genoma de vários organismos teve forte contribuição do gene luc e do gene gfp (de "green fluorescent protein"), este último obtido de organismos marinhos bioluminescentes. Além disso, como a reação bioluminescente do vaga-lume também depende de ATP (adenosina trifosfato), tem-se utilizado esta reação para monitoração de vários processos bioquímicos e celulares dependentes desta coenzima. Vários laboratórios de análises clínicas, indústrias de alimentos, hospitais, poluição ambiental, tratamento de água, utilizam "kits" comerciais baseados no sistema luciferina/luciferase de vaga-lumes.

 

 

[ PEQ ] Fale um pouco mais sobre suas pesquisas com bioluminescência.

 

[ Dr. Etelvino ]

          Desde 1978, quando iniciamos a linha de pesquisa sobre a bioluminescência de insetos, temos contribuído para elucidar vários aspectos da química, biologia e ecologia da três principais famílias de besouros luminosos: os lampirídeos (vagalumes), os elaterídeos (pirilampos, tec-tecs, ou salta-martins) e os fengodídeos (bondinhos ou trenzinhos). Por exemplo,
descobrimos que em todos eles a luciferina (combustível da bioluminescência) é a mesma, que a cor da emissão é específica da espécie e depende da luciferase e do pH do microambiente celular onde a reação ocorre e que a bioluminescência atua não só como sinal para atração de presas e corte sexual, mas também como mecanismo auxiliar de detoxificação de oxigênio molecular.
          Descobrimos três espécies novas de fengodídeos, descrevemos o sistema de inquilinismo cupim-vaga-lume no cerrado brasileiro, responsável pelo fenômeno dos "cupinzeiros luminosos", únicos no mundo, e explicamos como os elaterídeos inquilinos dos cupins se defendem da baixa umidade na ocasião do inverno (seca).
          Todo este trabalho foi amplamente divulgado na imprensa falada, escrita e televisa, brasileira e internacional, com artigos e imagens para a Ciência Hoje, Ecologia, Superinteressante, Galileu, Folha de São Paulo, Estado de São Paulo, Globo Ciência, Globo Rural, Télé Quebec, Encyclopedia of Life Sciences, etc. Estas pesquisas foram realizadas junto com nossos pós-graduandos e colegas do Instituto de Biociências e do Museu de Zoologia da USP, além de termos contado com colaborações de pesquisadores da Universidade da Florida em Gainesville, Dartmouth Medical School (New Hampshire, USA) e Museum of Natural History (Basel, Suiça).

 

 

Para saber mais...

 

The Bioluminescence Web Page

http://www.lifesci.ucsb.edu/~biolum/

 

Sobre o Óxido Nítrico

http://ase.tufts.edu/biology/firefly/


 

 

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Este site foi atualizado em 24/01/11