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Por Joey Salgado

Não há quem nunca tenha se impressionado com vaga-lumes perambulando noite adentro. Aquelas gracinhas luminosas piscando feito luzes de natal, parecem faíscas geradas espontaneamente no ar, como inclusive observou Aristóteles e seus asseclas pouco mais de um par de milhares de anos atrás.[1] Para a mente mais inquisidora, seguinte à observação do fato de um inseto curiosamente poder emitir luz, talvez venha esse questionamento: como ele consegue fazer isso? De fato, o processo é um tanto complicado, envolvendo substratos específicos e catálise por enzimas adequadas, além de um ou outro metabólito biológico.
Expandindo-se o número de dados oferecidos para apreciação de vocês, leitores, cito o exemplo dos lightsticks, aqueles brinquedinhos de festas de casamento que geralmente são distribuídos quando a banda já começou a tocar “Balão Mágico” e coisas do gênero. Como o nível alcoólico no sangue geralmente está alto nessa altura do campeonato, talvez isso não desperte tanto o interesse e curiosidade das pessoas quanto vaga-lumes, geralmente encontrados em ambientes mais “verdes” e “limpos”. Mas lightsticks tem mais em comum com esses insetos do que outros insetos tem com vaga-lumes, por incrível que pareça.
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Nesse ponto, talvez seja importante se definir alguns termos. Uma reação química que emita luz como um dos seus produtos de reação é dita quimiluminescente, como definido por Wiedemman em 1888.[2] Se o mesmo processo ocorre em um organismo vivo, e não dentro de uma vidraria de laboratório, refere-se ao mesmo por bioluminescência. Interessante ressaltar que Wiedemman, na mesma publicação,[2] diferenciou a quimiluminescência, fenômeno de “luz fria”, da incandescência, que é a emissão de luz por certos materiais mediante aquecimento. A incandescência, como bem se sabe, resulta do efeito fotolétrico, estudado intensamente por Planck e racionalizado em termos matemáticos por Einstein, o que daria o prêmio Nobel de Física para o último em 1921. A quimi e bioluminescências também são diferentes em seus princípios de funcionamento da triboluminescência, que é a emissão de luz por cristais macerados mecânicamente. Em um quarto escuro, com a visão bem acostumada para a falta de luminosidade, é possível se observar a emissão de luz a partir de cristais de açúcar de cozinha comum, quando submetidos a esmagamento (tentem, é uma ótima brincadeira!). 
A semelhança entre quimi e bioluminescências vem, principalmente, pelo fato de que em ambas há a formação de um intermediário peroxídico cíclico orgânico durante a reação química. Exemplifico esse intermediário de forma geral logo abaixo. Notem que o mesmo é uma cadeia fechada (cíclica), no formato de um anel de quatro átomos (dois de carbono e dois de oxigênio) e que possui uma ligação peroxídica (que é essa ligação química entre dois átomos de oxigênio, O-O). Nesse exemplo, os carbonos estão fazendo apenas duas ligações cada um (para fins de simplificação) sendo que cada um possui mais duas posições livre para se ligar a outros átomos.
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Na reação bioluminescente de vaga-lumes, uma molécula chamada luciferina, na presença de ATP (que é uma “fonte de energia disponível” em seres vivos), oxigênio molecular (O2) e de uma enzima chamada luciferase, forma exatamente esse intermediário peroxídico (notem o mesmo, destacado em vermelho, dentro de uma estrutura molecular mais complexa) (Figura 1).[3,4] Tal intermediário é formado em várias etapas e então decompõem para formar uma molécula de oxiluciferina no ‘estado eletrônico excitado’ (representado pelo símbolo S1). Um ‘estado eletrônico excitado’ pode ser entendido como um estado de maior energia da molécula, que está pronto para perder essa energia em excesso por emissão de calor ou de luz. No caso da oxiluciferina, a mesma perde essa energia emitindo luz, no final do processo de bioluminescência (Figura 1).[3] A reação quimiluminescente que ocorre dentro de lighsticks também leva a formação de um intermediário contendo esse anel peroxídico (Figura 2). Tal mecanismo descrito na Figura 2 foi formulado à medida que uma série de moléculas chamadas 1,2-dioxetanonas foram sintetizadas e estudadas em laboratório, demonstrando que as mesmas decompõem emitindo luz, quando da adição de um catalisador comum a essas duas reações (Figura 3, os grupos ligados ao anel peroxídico pelos carbonos pode mudar, sendo que nesse caso exemplificou-se com a molécula contedo dois grupos metila, -CH3).[5] Utilizando os resultados obtidos no estudo da reação envolvida em lighsticks (chamada de peróxi-oxalato) e 1,2-dioxetanonas, chegou-se à síntese e posterior estudo de moléculas chamadas 1,2-dioxetanos-aril-substituídos, que são capazes de decompor emitindo luz (Figura 4),[5] por uma via mecanística muito parecida com a da bioluminescência de vaga-lumes (Figura 1) (como sempre, notem a formação do anel peroxídico destacado em vermelho). Tanto a bioluminescência de vaga-lumes (Figura 1) quanto a decomposição de 1,2-dioxetanos-aril-substituídos (Figura 4) possuem eficiências de emissão de luz extremamente altas, o que faz desses 1,2-dioxetanos importantes ferramentas analíticas.[5]
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– Figura 1 –

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– Figura 2 –

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 – Figura 3 –

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– Figura 4 –

Agora vem o pulo do gato: de fato, foi o estudo de tais 1,2-dioxetanos-aril-substituídos que permitiu que se entendesse melhor o funcionamento da bioluminescência de vaga-lumes, inclusive, melhorando a compreensão do processo que leva à formação do ‘estado excitado’ emissor de luz. E para tal, foi necessário antes disso estudar a reação de 1,2-dioxetanonas e a reação peróxi-oxalato, que ocorre em lightsticks. Tanto o preparo de 1,2-dioxetanonas e 1,2-dioxetanos-aril-substituídos quanto o estudo dos mecanismos de decomposição dessas moléculas e da reação peróxi-oxalatonão é trivial e fez (e ainda faz…) muitos alunos de pós-graduação e pesquisadores arrancarem os cabelos. A síntese de moléculas peroxídicas isoláveis, ou seja, que podem ser sintetizadas, purificadas, identificadas por técnicas espectrocópicas adequadas, como 1,2-dioxetanonas (Figura 3) e 1,2-dioxetanos-aril-substituídos (Figura 4) é muito complicada, levando de três a quatro anos até que se tenha sucesso em sua preparação. Um processo complicado e trabalhoso para, ao final, “destruir” a substância preparada para vê-la emitindo luz. A recompensa para todo esse esforço é, obviamente, gerar conhecimento que sustente a proposta para o funcionamento de um processo biológico intrigante e, porque não, elegante.
Notem como, algumas vezes, antes de se entender como certas coisas ocorrem em organismos biológicos, é necessário ficar um bom tempo na bancada do laboratório de química. É necessário se usar bem o tubo de ensaio antes de se trazer certos fatos à luz, rs.
Fonte das fotos: vaga-lume e lightsticks.
Referências e notas:
[1] Campbel, A. K.; Chemiluminescence: Principles and Applications in Biology and Medicine; Elis Howard Ltd.: Chichester, 1988.
[2] Wiedemann, E.; Ann. Phys. Chem. 1888, 24, 446. (Em alemão)
[3] Shimomura, O.; Chemical and Biological Generation of Excited States; Adam, W.; Cilento, G., eds.; Academic Press Inc.: New York, 1982.
[4] Interessante notar que, em química orgânica, geralmente não se representa um átomo de carbono pelo seu símbolo “C” em estruturas. Logo, em cada “esquina” formada por ligações químicas (no encontro entre “arestas”, onde não há símbolo algum), deve-se enxergar a presença de um átomo de carbono, com seu respectivo número de hidrogênio, de forma a completar suas quatro ligações de ‘direito’.
[5] Baader, W. J.; Bastos, E. L.; Stevani, C. V.; The Chemistry of Peroxides, Rappoport, Z., ed.; WIley & Sons: Chichester, 2005.
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Em tempo, eu Fernando “Joey Salgado” Heering Bartoloni sou químico, atualmente no doutorado, estudando alguns sistemas orgânicos quimiluminescentes. E estou mais careca a cada ano. Não tenho palavras para expressar minha felicidade por estar participando do Tubo de Ensaios, nessa fantástica oportunidade que me foi dada pelo SBBr. Obrigado.
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