30 anos de aminoácidos

INTRODUÇÃO

No ano de 2019 comemoraram-se os 30 anos de estudos das propriedades vibracionais e estruturais de cristais de aminoácidos no Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará. A ideia era fazer um seminário comemorativo coincidindo com a entrega do título de Professor Emérito ao Prof. Francisco Erivan de Abreu Melo, que foi o pioneiro nesse tipo de estudo no Departamento de Físcia da Universidade Federal do Ceará. Em virtude da entrega do título ter sido postergada para o ano seguinte, resolveu-se também postergar o seminário. Entretanto, com a ocorrência da epidemia do novo coronavírus, dificilmente será possível reuniões com dezenas de pessoas nos próximos meses e, por conta disso, não sabemos quando teremos o seminário citado. Mas, em linhas gerais os aminoácidos são formados por um átomo de carbono – o carbono alfa – ligado a um átomo de hidrogênio, a um grupo amina (NH₂), a um grupo carboxila (COOH) e a um grupo químico chamado grupo R, ou cadeia lateral. No estado sólido os aminoácidos assumem a forma de íon bipolar ou zwitterion. Alguns destes cristais apresentaram interessantes propriedades óticas não lineares, embora o interesse do ponto de vista físico esteja relacionado principalmente ao fato dos cristais da família dos aminoácidos apresentarem importantes ligações químicas do tipo hidrogênio e van der Waals. O estudo do polimorfismo, de novas fases sob condições extremas e a comparação entre as propriedades estruturais das formas D e L dos aminoácidos também são temas de estudo de interesse do Laboratório de Propriedades Vibracionais do Departamento de Física da UFC.


HISTÓRIA

1989:

O primeiro aminoácido investigado no Laboratório de Espectroscopia Vibracional foi a taurina (2 – amino etanosulfônico), que é uma aminosulfona encontrada como uma molécula livre no corpo humano e envolvido em vários processos neurofisiológicos. A taurina possui importantes funções no metabolismo e é utilizada em muitos alimentos funcionais e bebidas ditas energéticas. Estudos de difração de raios-X mostraram que no estado cristalino a molécula de taurina apresenta-se em forma de um íon dipolar, zwitterion, (NH₃⁺)CH₂CH₂(SO₃^-) e as moléculas se unem formando a estrutura cristalina através de uma rede de ligações de hidrogênio.

1989 - 1991:

As primeiras tentativas de crescer o material a partir de solução aquosa foram realizadas no ano de 1989. No primeiro trabalho desenvolvido no grupo da Universidade Federal do Ceará investigou-se os espectros Raman polarizados do cristal em todas as possíveis geometrias de espalhamento, bem como foram realizadas medidas de espectroscopia Raman em baixas temperaturas e medidas de capacitância. Com esses resultados foi defendida a primeira dissertação de Mestrado sobre o tema no Programa de Pós-Graduação em Física da UFC, no início do ano de 1991, intitulada "Transição de fase em monocristais de taurina", defendida por Paulo Tarso Freire e orientada pelo Prof. Francisco Erivan de Abreu Melo.

 

1992 - 1996:

Em 1996 foi defendida a primeira tese de Doutorado no Programa de Pós-Graduação em Física da UFC relacionada ao tema de propriedades vibracionais de cristais de aminoácidos. Ela foi defendida pelo Dr. Antonio Jeferson de Deus Moreno, orientada pelo Prof. Josué Mendes Filho, tendo sido intitulada "Estudos de Transições de Fase por Espectroscopia Raman em Monocristais de L-Asparagina Monohidratada". Essa tese investigou os aspectos vibracionais do cristal de L-asparagina monohidratada, tanto sob variação de temperatura quanto com variação de pressão. Esse estudo deu origem ao primeiro trabalho na literatura sobre as propriedades vibracionais e/ou estruturais de um cristal de aminoácido submetido a condições de altas pressões.

 

1995 - 1997:

A segunda tese de doutorado versando sobre o tema de aminoácidos defendida no Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Ceará foi defendida em 1997 pelo Dr. Benedito Lopes da Silva, sob a orientação do Prof. Paulo de Tarso Freire. Esta tese apresentou o estudo realizado com espectroscopia Raman em cristais de L-treonina submetidos a condições de baixas e altas temperaturas e de altas pressões, separadamente. No estudo em condições criogênicas observou-se a permanência da fase ortorrômbica até temperaturas de aproximadamente 20 K. Porém, sob altas temperaturas, observou-se que pouco antes da fusão do cristal, que ocorre em aproximadamente 180 ^oC, o cristal sofre uma transição de fase para uma nova fase não determinada. No que diz respeito ao estudo de altas pressões, as investigações foram conduzidas até cerca de 5 GPa, sendo possível observar uma mudança estrutural em aproximadamente 2 GPa. Coeficentes dw/dP foram determinados para futuras análises do parâmetro de Grüneissen. Alguns anos depois, esse material foi revisitado por outros integrantes do Grupo de Espectroscopia Vibracional do Departamento de Física da UFC.

 

1998 - 2000:

Outro cristal de aminoácido investigado no final da década de 90 foi a L-alanina. Esse aminoácido é o mais simples dos aminoácidos proteicos quirais tendo como radical o grupo CH₃. Apesar dessa aparente simplicidade, o seu comportamento é bem complexo. Num estudo levado a cabo pelo Dr. Alexandre Magno Rodrigues Teixeira, observou-se que em torno de 2.2 GPa o cristal aparentemente sofre uma transição. Esse estudo, realizado com o auxílio da técnica de espectroscopia Raman, foi publicado na revista Solid State Communication no ano 2000. Alguns anos depois, um grupo de cristalografia da Dinamarca estudou o material e sugeriu que em torno de 2 GPa o material sofre uma transição de fase ortorrômbica à tetragonal e, em torno de 9 GPa, uma transição tetragonal à monoclínica seria verificada. Posteriormente, estudo feito num laboratório da Rússia sugeriu que na verdade, o que aconteceria na pressão de 2 GPa seria apenas uma coincidência nas dimensões de dois parâmetros de rede, o que teria induzido o pessoal da Dinamarca a acreditar que o sistema tinha ido para uma fase tetragonal. Ou seja, em 2 GPa o cristal teria dois parâmetros coincidentemente com as mesmas dimensões, mas acima dessa pressão a fase continuaria sendo ortorrômbica.

 

2001 - 2003:

Em 2003 foi defendida uma tese de Doutorado que tratou de uma investigação sobre a L-arginina clorohidrato monohidratada e sobre a L-histidina clorohidrato monohidratada. Esse estudo foi realizado pelo Dr. Jorge Luiz Brito de Faria (Propriedades vibracionais em cristais de L-arginina.HCl.H₂O e L-histidina HCl.H₂O por espectroscopias Raman e Brillouin e cálculos de primeiros princípios), sob a orientação do Prof. Paulo Tarso Freire. Como novidade nesse investigação estão, além da utilização da técnica de espectroscopia Raman, também o uso da técnica de espectroscopia Brillouin, bem como o uso de cálculos de primeiros princípios do tipo DFT. O auxílio dessa metodologia computacional representou o início da utilização de uma nova ferramenta no estudo dos aminoácidos. De fato, a partir desse estudo, muitos outros trabalhos foram realizados tendo como suporte teórico os cálculos DFT.

 

2003 - 2004:

O próximo cristal de aminoácido estudado no Laboratório de Espectroscopia Vibracional do Departamento de Física da UFC foi L-valina. Esse aminoácido, assim como a L-leucina e a L-isoleucina, pode ser obtido de solução aquosa como cristais na forma de finas plaquetas. A L-valina foi investigada inicialmente pelo Dr. José Alves de Lima Jr., que defendeu o seu Mestrado em 2004 sob a orientação do Prof. Paulo Tarso Freire, com título "Propriedades Vibracionais de Cristais L-valina" e pelo Dr. João Hermínio da Silva, que defendeu uma tese de doutorado sobre o tema em 2007, com título "Propriedades vibracionais de cristais de L-valina a altas temperaturas e a altas pressões", tendo sido orientado pela professora Vólia Lemos.

 

2003 - 2005:

Quando se estudam propriedades vibracionais de sistemas orgânicos como os aminoácidos, é interessante analisar as propriedades dos materiais deuterados, ou seja, os materiais onde o hidrogênio é parcial ou totalmente trocado por deutério. Isso permite que se determine com maior precisão as vibrações envolvendo o hidrogênio nas vibrações das unidades CH, CH2, CH3, NH3, etc. Uma primeira tentativa de estudar materiais deuterados foi realizada pela Dra. Joelma Monteiro de Souza, professora da Universidade Regional do Cariri - falecida precocemente - que estudou alguns cristais de aminoácidos deuterados. A sua tese intitulada "Espalhamento Raman em cristal de taurina parcialmente deuterado e de policristais de L-alanina parcial e totalmente deuterados em função da temperatura", defendida em 2005, discutiu esse tipo de sistema. Um resultado bastante interessante obtido foi que o comportamento dos modos vibracionais do cristal de taurina parcialmente deuterado indicou que a transição de fase existente no cristal de taurina hidrogenada em 250 K foi inibida com a introdução de deutérios nas unidades NH3+. Tal inibição foi explicada em termos do chamado efeito Ubbhelode, segundo o qual as ligações de hidrogênio deuterado são mais longas do que as ligações do hidrogênio normal; essa mudança na dimensão das ligações de hidrogênio produziria a mudança de comportamento nos cristais de taurina.

 

2004 -2006:

Como nova perspectiva de estudo de cristais de aminoácidos, procurou-se dopar cristais de L-asparagina monohidratada com diversos metais: Ag, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni. Essa dopagem modificou o hábito de crescimento de alguns cristais, bem como a cor (os cristais não dopados são transparentes e incolores). Foram realizadas Medidas de Espectroscopia por Emissão Atômica para determinar a quantidade de dopante contida nos cristais. O estudo do crescimento desses cristais e a análise vibracional foi apresentado na tese de doutorado da Dra. Isabel Cristina Bento Bastos, que foi defendida em 2006 no Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Ceará com título "Crescimento de Cristais de L-asparagina monohidratada dopada com metais de transição e propriedades vibracionais a altas temperaturas".

 

2007 - 2010:

No período de 2007 a 2010 seis estudantes de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Ceará investigaram algumas propriedades físicas de cristais de aminoácidos. Ricardo Oliveira Gonçalves, atualmente professor da Universidade Federal do Cariri, defendeu uma dissertação em 2008 intitulada "Espalhamento Raman em cristais de L-alanina deuterados sob pressão". Bruno Tavares de Oliveira Abagaro, atualmente professor da Universidade Estadual do Ceará, defendeu uma dissertação em 2009 intitulada "Espalhamento Raman em policristais de L-prolina sob altas pressões hidrostáticas", orientada pelo Prof. Paulo Tarso Freire. Ainda em 2009, a Dr. Gardenia de Sousa Pinheiro, professora na Universidade Federal do Piauí, defendeu sob a orientação do Prof. Francisco Erivan Melo a dissertação "Espectroscopia vibracional em cristais de L-histidina". Marcelo Nunes Coelho, professor do Instituto Federal de Educação do Rio Grande do Norte, defendeu uma dissertação de Mestrado em 2010, com título "Espectroscopia Raman de policristais de clorohidrato de L-cisteína sob altas pressões". Com o objetivo de investigar um cristal de aminoácido numa mistura racêmica, o Dr. César Rodrigues Fernandes, atualmente técnico de laboratório no Departamento de Física da UFC defendeu, em 2010, a dissertação "Espalhamento Raman dependente da temperatura em cristais de ácido DL-aspártico". E ainda nesse ano, Rocicler Oliveira Holanda, professora da Universidade Estadual do Ceará apresentou ao Programa de Pós-Graduação em Física da UFC uma dissertação com título "Propriedades vibracioanais de L-glutamina sob altas pressões e sob altas temperaturas".

2011 -2015:

No período de 2011 a 2015 diversas dissertações e teses de doutorado foram defendidas no Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal do Ceará versando sobre os aminoácidos. As dissertações de Mestrado foram "Estudo dos modos normais de vibração de cristais de DL-leucina", defendida por José Gláucio da Silva em 2011; Espalhamento Raman na L-valina deuterada a baixas temperaturas, defendida por Felipe Moreira Barboza em 2012; "Espectroscopia vibracional da ala-ala policristalina em função da temperatura", defendida por Lucas Machado Arruda em 2013 (orientação do Prof. Erivan Melo) e "Medidas de espalhamento Raman em cristais de DL-valina", defendida por Fellipe dos Santos Campêlo Rêgo em 2015, contando com a orientação do Prof. José Alves de Lima Jr. Já as teses de doutorado envolveram a investigação de diversos aminoácidos e sais de aminoácidos, esses últimos levados a cabo principalmente pelo Prof. José Alves. Em 2011, Cleânio da Luz Lima defendeu uma tese sob a orientação do Prof. Josué Mendes Filho que estudou entre vários materiais, cristais de ácido L-glutâmico. José de Arimatéa Freitas e Silva defendeu a tese "Propriedades vibracionais da L-asparagina monohidratada sob pressões de até 30 GPa" em 2012. Wanessa David Canedo Melo defendeu uma tese sob a orientação do Prof. Josué Mendes em 2012 intitulada "Transições de fase em monocristais de D-metionina". Ainda em 2012 foram defendidas mais duas teses de doutorado sobre o tema, uma defendida por Ricardo Oliveira Gonçalves, atualmente professor na Universidade Federal do Cariri, que estudou a L-arginina dihidratada e outra defendida por Bruno Tavares de Oliveira Abagaro, atualmente professor da Universidade Estadual do Ceará, que estudou a DL-leucina e a L-prolina monohidratada sob pressão. Em 2013, Ezequiel de Andrade Belo defendeu uma tese intitulada "Espectroscopia vibracional em cristais de D-alanina e DL-alanina sob condições extremas" e Rivelino Cunha Vilela, atualmente professor do Instituto Federal do Maranhão defendeu uma tese que investigou um cristal de L-alanina ácido oxálico. Em 2014, sob a orientação do Prof. José Alves Lima, foram defendidas duas teses de doutorado: "Estudo do L-histidinato de níquel monohidratado em condições extremas de pressão e temperatura", defendida por José Robson Maia, atualmente professor da Universidade Estadual do Ceará, e "Propriedades vibracionas da L-treonina e D-treonina sob altas pressões", defendida por Rocicler Oliveira Holanda, também professora da Universidade Estadual do Ceará. Esse último estudo, em particular, revisitou um estudo da década de 1990, aumentando bastante o intervalo de pressão no qual as medidas de espalhamento Raman foram realizadas no cristal de L-treonina. Como consequência, novas fases de altas pressões foram verificadas. Também em 2014 Katiane Pereira da Silva defendeu uma tese sob a orientação do Prof. Paulo Freire, intitulada "Propriedades estruturais e eletrônicas do cristal L-fenilalanina ácido nítrico e estudo vibracional sob condições extremas de pressão e temperatura". Finalmente, fechando esse período de 5 anos, César Rodrigues Fernandes defendeu a tese "Espectroscopia Raman e infravermelho em cristais de aminoácidos: os casos da L-valina e do ácido L-glutâmico". Portanto, foi um período em que formas D-, DL- e ácidos de aminoácidos começarem a ser estudados de uma forma mais sistemática, agregando novas facetas ao conhecimento das propriedades estruturais e vibracionais de cristais de aminoácidos.

2016 -2019:

Nesse período final que fecha as três décadas de trabalho em propriedades vibracionais e estruturais de cristais de aminoácidos observou-se uma tendência de investigação de dipeptídeos e de sais de aminoácidos. Isso ficou muito claro, por exemplo, nas dissertação de Mestrado "Estudo das propriedades vibracionais do complexo beta-alaninato de níquel em altas pressões" defendida em 2019 por Luciano Vieira de Aguiar sob a orientação do Prof. José Alves Lima Jr. e algumas teses de Doutorado defendidas nesse período: Propriedades vibracionais do dipeptídeo L,L-difenilalanina sob condições extremas de temperatura e pressão", defendida em 2017 por José Gadelha da Silva Filho; "Propriedades estruturais e vibracionais dos dipeptídeos L-alanil-L-fenilalanina e L,L-dileucina", defendida em 2019 por Cristiano Balbino da Silva; "Estudo das propriedades vibracionais e estruturais dos cristais monoclorohidrato de L-lisina dihidratado e monoclorohidrato de DL-lisina", defendida por José Cardoso Batista em 2016; "Propriedades vibracionais e estruturais de cristais de valina e ácido glutâmico na forma DL", defendida em 2017 por Fernando Martins de Paiva e "Propriedades vibracionais dos aminoácidos DL-isoleucina e ácido DL-glutâmico monohidratado e do complexo L-leucina oxalato submetidos a altas pressões, defendida em 2019 por Fellipe dos Santos Campêlo Rêgo, esses três últimos sob a orientação do Prof. José Alves de Lima Jr. 

Esse é, portanto, um breve resumo do que foram esses 30 anos. Tudo leva a crer que nos próximos anos os estudos no tema versarão sobre cristais de dipeptídeos, sais e complexos de aminoácidos. Veremos o que esses materiais ainda têm a nos revelar.