Infravermelho, difração de raio X, RMN e biomembranas

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Infravermelho
O infravermelho é uma radiação eletromagnética não ionizante, ou seja, a energia contida nela não é suficiente para ionizar átomos ou moléculas. No espectro eletromagnético, localiza-se antes da região visível da luz, no sentido de maior energia.
Ela pode ser aplicada em diversos setores: 
Sensores: em equipamentos e processos de automação 
Alarmes residenciais
Controles remotos
Termômetros por infravermelho
Câmeras e óculos de infravermelho - confere habilidade de visão noturna: o ambiente não precisa estar iluminado para conseguir ser enxergado
Radiologia e termografia
O diagnóstico por imagem que capta e registra a emissão de calor da superfície do corpo humano
Mostra mudanças fisiológicas
Mudanças termogênicas podem demonstrar doenças e anormalidades
Espectroscopia no infravermelho
Geralmente, compostos que tenham ligações covalentes, sejam eles orgânicos ou inorgânicos, absorvem várias frequências de radiação eletromagnética na região do infravermelho.
Por isso, o infravermelho é utilizado por muitos químicos para caracterização de moléculas orgânicas. 
Como trata-se de uma radiação não ionizante, as energias de fótons relacionadas ao infravermelho não são suficientemente grandes para excitar elétrons. Assim, não há transição eletrônica. 
Entretanto, essa radiação pode induzir a excitação vibracional e rotacional das moléculas. Na química, analisa-se a região vibracional do infravermelho, que inclui intervalos comprimento de onda entre 2,5 e 25 m. 
As ligações covalentes das moléculas não são rígidas. Assim, elas são capazes de sofrer estiramento e dobramentos, como efeito das alterações vibracionais causadas pela incidência de radiação do infravermelho.
	Há X tipos de mudanças:
Estiramentos/axiais
Formam alongamentos na ligação química
Podem ser simétricos ou assimétricos.
Angulares no mesmo plano
Alterações angulares, no mesmo plano, da ligação química
Podem ser do tipo tesoura ou rotação:
Angulares fora do plano
Difração de raios X
Estrutura das proteínas
As proteínas são formadas por ligações peptídicas entre aminoácidos. 
A estrutura primária corresponde ao nível estrutural mais simples, ou seja, é a sequência de aminoácidos.
A ligação peptídica é uma dupla ligação parcial, sendo dois elétrons compartilhados entre os átomos O=C-N. Isso faz com que a ligação peptídica adote uma conformação planar. 
Os ângulos de rotação em torno de uma ligação peptídica são chamados de ângulos torcionais. O ângulo de ligação entre um carbono e seu grupo funcional é definido como φ, enquanto o carbono com o restante de sua cadeia é ψ. As várias combinações desses ângulos permitem que as proteínas se dobrem de maneiras diferentes.
Na enovelação secundária, é definida como uma conformação local de uma cadeia peptídica. É nela que são estabilizadas as pontes de H de diversos aminoácidos. Formam-se as hélices alfa e beta.
A estrutura terciária corresponde ao arranjo no espaço das estruturas secundárias (3D). A estrutura quaternária é a junção de duas ou mais terciárias. 
Importância do estudo 
Elucidar a função da proteína
Elucidar seu mecanismo de ação – enzimático, inibitório, modulador
Busca de novos fármacos
Determinação da estrutura de proteínas à nível atômico
Pode ser realizada por três métodos:
Cristalografia de proteínas – difração de raios X
Ressonância Magnética Nuclear
Crio-microscopia eletrônica
Raios X
Os raios X são uma radiação eletromagnética ionizante e altamente penetrante: possui alta energia e frequência, pequeno comprimento de onda. 
O filamento, ao ser aquecido, emite elétrons que são acelerados pela diferença de potencial entre os eletrodos (cátodo e ânodo). Quando os elétrons atingem o alvo, geralmente feito de metal de alto ponto de fusão (tungstênio ou molibdênio), perde energia na forma de energia térmica (aquecendo o alvo) e raios X.
Na cristalografia de raios X passa-se um feixe de raio X através de um cristal de proteína em estudo. A partir de sua difração, interpreta-se a distribuição dos átomos a partir de um mapa de densidade eletrônica. 
Cristalização da proteína Difração de raios X Mapa de densidade eletrônica Modelo tridimensional
O fenômeno de cristalização ocorre quando a molécula em estudo precipita de modo lento e ordenado, formando cristais. Assim que são formados, os cristais podem ser testados quanto sua capacidade de difratar os raios x. 
O fenômeno da difração depende da interação entre a radiação eletromagnética com a matéria de dispersão dessa radiação. Os átomos dispersam as ondas de raios X através de seus elétrons.
Depois de identificado o padrão de difração, constrói-se um modelo computacional. 
Vantagens: pode resolver a estrutura de proteínas de qualquer tamanho;
Desvantagens: depende da cristalização, exige concentração moderada da amostra proteica, o estado cristalino não reproduz com fidelidade a conformação real da proteína
Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
Nesse processo, uma amostra absorve radiação eletromagnética de ondas de rádio (radiofrequência). Além disso, as propriedades de spin intrínsecas de certos núcleos atômicos podem ser investigadas.
Fundamentos
Spin nuclear (momento angular): alguns núcleos podem apresentar essa propriedade. Corresponde a sua rotação em torno de seu próprio eixo.
Os núcleos capazes de gerar momento angular (spin diferente de zero) são capazes de gerar um campo magnético, atuando como se fossem micro-ímas. 
Níveis de energia nuclear
Quando não há campo magnético externo, os núcleos são orientados aleatoriamente. Na presença desse campo externo (B0), os núcleos ficam paralelos a ele.
Nessa situação, os núcleos de H podem apresentar dois estados energéticos:
 Spin alinhado (estado α): estado de menor energia e preferencial;
Spin oposto (estado β): estado de maior energia e mais instável.
Os níveis energéticos são específicos ao tipo de núcleo e depende da intensidade do campo magnético experimentado. 
A transição entre os estados alfa e beta pode ser conseguida através da absorção de radiação eletromagnética pelo estado alfa, em uma frequência v de radiofrequência que corresponde, em energia, à diferença ΔE entre os estados α e β.
O retorno ao estado original (de beta para alfa) libera uma quantidade de energia em uma dada frequência que corresponde ao sinal de RMN. 
Estudo de moléculas orgânicas
Aquisição e transformação do sinal
Pulso Sinal Transformada de Fourier Sinal de radiofrequência Transformação de deslocamento químico 
Deslocamento químico
É definido pela frequência da ressonância expressa com referência a um composto padrão (Tetrametilsilano – TMS) que é definido como sendo 0 ppm.
A escala é mais manejável, expressa-se por ppm e é independente da frequência do espectrofotômetro usado.
Considerando uma análise de RMN de próton (RMN 1H), temos que prótons no mesmo ambiente químico são ditos quimicamente equivalentes, ou seja, no espectro resultante fornecerão apenas um sinal.
Por outro lado, prótons em localizações diferentes fornecem sinais diferentes por fornecerem frequências distintas no espectro.
Deve-se considerar também a eletronegatividade e deslocamento químico. Quanto mais eletronegativo o átomo próximo ao analisado, mais blindado ele é (?). O grau de blindagem dependerá da densidade eletrônica próxima do núcleo, ou seja, do ambiente químico que se encontra. Por isso, há diferentes absorções para núcleos mais próximos a átomos eletronegativos (a blindagem é maior = maior deslocamento químico).
Acoplamento escalar (spin-spin)
Observando-se o RMN, vê-se que os sinais originados das absorções nem sempre aparecem como picos únicos (singletos), mas também podem aparecer como dupletos, tripletos ou quartetos. 
Isso ocorre em razão da influência na magnetização de um núcleo atômico pela sua ligação com outros átomos. É representado pela constante de acoplamento nJab onde n = número de ligações covalentes separando núcleo a e b.
Normalmente, o acoplamento escalar se estabeleceentre átomos separados por até 3 ligações químicas.
Estrutura de proteínas e RMN
Essa técnica permite a resolução da atomística da estrutura 3D de peptídeos e pequenas proteínas.
Devido à grande quantidade de átomos, ocorre enorme sobreposição de sinais nos espectros de RMN, o que torna impraticável o assinalamento (identificação) dos picos de ressonância em uma dimensão (1D).
Efeito overhauser nuclear (NOE)
Corresponde a influência da magnetização de átomos não ligados por meio de uma ligação química, porém próximos. 
Difere do acoplamento spin spin porque ocorre através do espaço e não por meio de ligações químicas. Normalmente é detectado por átomos com distancia de até 5A.
As vantagens são:
Pode ser realizado em solução do citosol;
Permite estudos de dinâmica em solução.
E as desvantagens:
Restrita a pequenas proteínas;
Exige alta concentração da amostra proteica
Tomografia de RMN
Técnica de imagem médica para formar imagens anatômicas e fisiológicas do corpo. É uma alternativa para tomografia de raios X.
Utilizam campos eletromagnéticos fortes, ondas de rádio e gradientes de campo. 
Como vantagens, encontramos:
Não expõe o corpo à radiação ionizante
Podem produzir informações diagnósticas diferentes em relação à técnica de raio X.
Desvantagens:
Pessoas com implante metálico não podem submeter-se ao exame
Clastrofobia.
Membranas Biológicas
Formam os limites das células vivas. São essenciais para formação de ambientes subcelulares, aqueles que delimitam os núcleos e as organelas. Além disso, permitiu o aparecimento da primeira célula viva.
Principais funções:
Delimitam o conteúdo celular;
Transporte e permeabilidade seletiva;
Comunicação entre os meios internos e externos entre células.
Composição 
Lipídeos (40 a 60%) – geralmente anfipático;
Proteínas (30 a 50%) – geralmente anfipática;
Carboidratos (10%)
A quantidade de cada umas dessas moléculas depende do tipo de membrana. Por isso, pode refletir a diversidade de papeis biológicos. 
Formam um modelo de mosaico fluido em uma bicamada lipídica. 
Proteínas de membrana
São responsáveis pela maioria das funções da membrana, podendo ser:
Periféricas – se ligam a superfície da bicamada
Transmembranas – penetram no interior hidrofóbico da bicamada.