Imagine uma cidade iluminada com luz natural proveniente de árvores ou de cogumelos brilhantes. Embora essa imagem contenha muito de ficção científica, químicos pelo mundo todo, inclusive no Brasil, dedicam-se a estudar fenômenos relacionados a esse cenário fantástico e fascinante. São os fenômenos de luminescência – que pode ser definida como emissão de radiação eletromagnética por espécies químicas excitadas (em estado de maior energia) quando passam para um estado de menor energia, mais estável. Dependendo de como as espécies químicas excitadas são geradas, a luminescência pode ser subdividida em quimioluminescência, bioluminescência, termoluminescência, eletroluminescência e fotoluminescência (fluorescência e fosforescência). Neste texto, serão destacadas as que vem sendo mais estudadas e aplicadas no cotidiano: a quimioluminescência e, em especial, a bioluminescência.

Para entender melhor o que são as espécies químicas excitadas citadas anteriormente, é preciso recordar o modelo atômico de Bohr, segundo o qual três postulados são assumidos:

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Os elétrons percorrem órbitas circulares ao redor do núcleo em que se encontram prótons e nêutrons; há uma quantidade limitada de órbitas permitidas, que se chamam camadas eletrônicas ou níveis de energia. Quanto mais afastada do núcleo estiver a camada ou o nível, maior será a energia do elétron localizado nela
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Durante a translação nessas órbitas permitidas, os elétrons não perdem ou ganham energia espontaneamente e se mantêm em uma órbita estável, condição conhecida como estado estacionário.
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Quando um elétron recebe energia suficiente do meio externo, ele se desloca para uma camada mais distante do núcleo, que é mais energética que a original (característica da espécie química excitada!). Quando o elétron perde essa energia, retorna para sua camada original, dissipando a energia anteriormente absorvida na forma de energia térmica e/ou luminosa. Acompanhe o esquema abaixo:
Fonte:CISCATO, PEREIRA e CHEMELLO. Química, Vol. 1. 1ª Edição.
Editora Moderna, 2015, p. 87.

O fenômeno da luminescência é, portanto, uma forma de dissipação de energia e está presente no cotidiano em situações mais comuns do que você imagina, tanto em fenômenos naturais como artificiais. Você certamente já ouviu falar ou mesmo já viu (e usou) aquelas pulseiras luminosas distribuídas em festas e comemorações, certo? Também já deve ter visto ou ao menos deve saber da existência de um inseto chamado vaga-lume, não é? Pois a luz emitida pelas pulseiras luminosas resulta de um processo de quimioluminescência, enquanto aquela emitida por insetos como os vaga-lumes é um exemplo de bioluminescência.

quimioluminescência

(A) Fenômeno de quimioluminescência presente em pulseiras luminosas.

Sobre os autores

Luís Fernando Pereira

Luís Fernando Pereira

Professor e autor

Químico industrial formado e licenciado pela USP. Leciona no Curso Intergraus desde 1995. É o químico consultor do programa Bem Estar, da Rede Globo.

Emiliano Chemello

Emiliano Chemello

Professor e autor

Licenciado em Química e Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais pela UCS. Professor de química no Ensino Médio e cursos Pré-Vestibulares.

Patrícia Proti

Patrícia Proti

Professora e autora

Bacharel e licenciada em Química pelo IQ-USP. Bolsista FAPESP de Iniciação Científica e Doutorado Direto com projetos desenvolvidos no Laboratório de Química de Peptídeos do IQ-USP. Atualmente leciona na Escola Móbile e no Cursinho Intergraus.

(B) Fenômeno de bioluminescência presente em vaga-lumes.

Dentro da pulseira luminosa, há duas soluções aquosas contidas em recipientes separados por um material bastante fino. Quando se dobra a pulseira para colocá-la no pulso, esse material é rompido e as duas soluções entram em contato. Em geral, uma das soluções contém oxalato difenílico (ou um derivado) e um corante, e a outra é uma solução de peróxido de hidrogênio. A reação que ocorre entre o oxalato e o peróxido de hidrogênio gera dois produtos, sendo um deles instável, que se decompõe formando gás carbônico e liberando energia. Essa energia é absorvida por alguns elétrons das moléculas do corante, formando uma espécie química excitada. A luz é emitida quando esses elétrons retornam para uma órbita de menor energia. Acompanhe as equações:

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A cor da luz emitida depende do tipo de molécula que compõe o corante. Na quimioluminescência, portanto, a excitação das moléculas de uma substância é feita por meio de uma reação química.

Na bioluminescência, a excitação também se dá por meio de uma reação química, mas ela ocorre entre uma substância produzida dentro de um organismo vivo, como o do vaga-lume, e o oxigênio molecular. No caso desse inseto, a substância chama-se luciferina, que na presença da enzima luciferase e oxigênio molecular gera um produto em um estado eletronicamente excitado, a oxiluciferina*. Esta espécie química excitada, por sua vez, volta ao estado de menor energia, a oxiluciferina, emitindo luz visível. Observe o esquema a seguir:

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No Brasil, os fenômenos bioluminescentes vêm sendo intensamente estudados pelo pesquisador Etelvino Bechara, do Instituto de Química da USP (IQ-USP), e por outros cientistas por ele formados ou que são seus colaboradores. Este é o caso do pesquisador Cassius Stevani, também do IQ-USP, que recentemente reportou que determinada espécie de cogumelos apresenta um processo de bioluminescência cíclica. O processo de geração de luz é bem parecido com o do vaga-lume mencionado anteriormente, mas com a luciferina fúngica, que difere estruturalmente da luciferina do vaga-lume. A descoberta relevante feita por Stevani e seus colaboradores é que a substância hispidina, presente nesses fungos, é precursora da luciferina fúngica. Observe o esquema abaixo:

Além de verificar esse fato, Stevani e seus colegas perceberam que a oxiluciferina resultante sofre ação de outra enzima, gerando o ácido cafeico, previamente conhecido como um precursor da hispidina. Isto é, trata-se de um processo cíclico!

Você pode estar se perguntando: “qual seria uma aplicação para essa descoberta?” Ocorre que árvores e outras plantas também produzem ácido cafeico, e em geral, apresentam a enzima envolvida na transformação desse ácido em hispidina. Se, por manipulação genética, essas plantas também produzissem enzimas do tipo luciferase, elas poderiam brilhar! Mais do que impressionar alguém com flores luminescentes, esse tipo de aplicação poderia ser usada como um marcador luminoso de processos bioquímicos de plantas e, eventualmente, até em outros organismos como o do ser humano. Algo similar já ocorreu antes com proteínas fluorescentes produzidas por águas-vivas, descobertas e estudadas por Osamu Shimomura, Roger Tsien e Martin Chalfie, que por esse feito ganharam nada mais, nada menos que o prêmio Nobel de Química em 2008.

Perguntas

1-) A enzima luciferase é citada diversas vezes no texto. Qual o papel de uma enzima em um processo bioquímico como os mencionados no texto? Como esse tipo de substância atua nos processos?

2-) Dentre as substâncias apresentadas no texto, identifique aquela cujas moléculas apresentam a função ácido carboxílico. Escreva a estrutura do composto formado na esterificação do grupo carboxila dessa substância com etanol.

3-) Segundo as informações do texto, qual a relevância do trabalho de Stevani e colaboradores para a compreensão dos processos bioluminescentes de fungos?

a) Stevani e colaboradores conseguiram cristalizar a enzima luciferase e provar que ela está envolvida tanto no processo bioluminescente de vaga-lumes quanto de fungos.
b) Ao investigar a substância hispidina, Stevani e colaboradores concluíram que ela tem o mesmo papel desempenhado pela substância luciferina.
c) Com base em seus estudos sobre o papel da hispidina e do ácido cafeico no processo bioluminescente de fungos, Stevani e colaboradores concluíram que tal processo é cíclico.
d) Descobrir que a enzima luciferase é continuamente reciclada no processo a partir do ácido cafeico permitiu a Stevani e colaboradores afirmar que o processo bioluminescente nos fungos é cíclico.
e) Stevani e colaboradores concluíram que o processo bioluminescente nos fungos é cíclico ao constatar que mesmo com substrato diferente do processo que ocorre em vaga-lumes, a emissão de luz ocorre da mesma maneira.

Respostas

1-) Enzimas são catalisadores biológicos, substâncias que aumentam a rapidez de uma reação, sem ser efetivamente consumido nela. Quimicamente, as enzimas são proteínas que permitem que a reação ocorra por um mecanismo diferente do que ocorreria em sua ausência. Como esse novo mecanismo tem uma energia de ativação menor do que a do mecanismo original, a rapidez da reação aumenta.

2-) A substância é a luciferina do vaga-lume:

A estrutura do produto de sua esterificação com etanol é:

3-) Alternativa C. Stevani e colaboradores conseguiram estabelecer o ciclo envolvido na bioluminescência de fungos: hispidina – luciferina – oxiluciferina – ácido cafeico – hispidina etc.

PNLD 2018 | Química Ciscato – Pereira – Chemello  – Proti

A nova coleção valoriza a contextualização, a interdisciplinaridade e a experimentação como formas de conscientizar o aluno sobre a presença da Química no dia a dia. Por isso, os conteúdos tradicionais da disciplina são apresentados por meio de temas bastante significativos para a vida em sociedade, dando ao professor segurança e recursos para um ensino conectado com as expectativas dos alunos e as habilidades para o século XXI.

Confira abaixo mais sobre a coleção aprovada no PNLD 2018:

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CARVALHO, R. P. Purificação, caracterização e estudo mecanístico com luciferina fúngica. Tese de doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade de São Paulo, 2016.

SILVA, G. S. Oficina temática: uma proposta metodológica para o ensino do modelo atômico de Bohr. Ciência & Educação, Bauru, v. 20, n. 2, p. 481-495, 2014. Disponível em <http://www.scielo.br/pdf/ciedu/v20n2/1516-7313-ciedu-20-02-0481.pdf>. Acesso em jul. 2017.

XIMENES, V. F. Estudos de novos sistemas quimiluminescentes aplicados na determinação de atividade enzimática. Tese de doutorado apresentada ao Instituto de Química da Universidade de São Paulo, 2000.

SANTOS, R. M. S. et al. Quimioluminescência e Bioluminescência Química Nova, 16(3), p. 200-209, 1992. Disponível em <http://quimicanova.sbq.org.br/imagebank/pdf/Vol16No3_200_v16_n3_(6).pdf>. Acesso em jul. 2017.

LABORATÓRIOS ABERTOS JÚNIOR 2015. Ed.: Departamento de Engenharia Química E Instituto Superior Técnico, Lisboa, Portugal. Compostos que emitem luz. Disponível em <http://quimica.ist.utl.pt/~quimica.daemon/LabAbertos/pdfs/2015/LivroJunior.pdf>. Acesso em fev. 2017.

GUIMARÃES, M. Iluminação natural – Processo químico da bioluminescência de fungos é reciclável e flexível. Pesquisa Fapesp, 26-04-2017. Disponível em <http://revistapesquisa.fapesp.br/2017/04/26/iluminacao-natural/>. Acesso em jul. 2017.

THE CHEMISTRY OF GLOW STICKS. Disponível em <http://www.compoundchem.com/2014/10/14/glowsticks/>. Acesso em jul. 2017.