universidade federal do ceará centro de ciências departamento de química analítica e físico ...

258 Pages·2017·18.34 MB·Portuguese

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ANALÍTICA E FÍSICO-QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

ANTÔNIO AURÉLIO GOMES MOREIRA

QUÍMICA E BIOQUÍMICA QUÂNTICA DO AGROTÓXICO IMIDACLOPRIDO: O
MATADOR DE ABELHAS

FORTALEZA
2017
ANTÔNIO AURÉLIO GOMES MOREIRA

QUÍMICA E BIOQUÍMICA QUÂNTICA DO AGROTÓXICO IMIDACLOPRIDO: O
MATADOR DE ABELHAS

Tese apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Química, do Departamento
de Química Analítica e Físico-Química da
Universidade Federal do Ceará, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Doutor
em Química. Área de concentração: Química
computacional.

Orientador: Prof. D.r Pedro de Lima-Neto.

Coorientador: Prof. D.r Valder Nogueira Freire.

FORTALEZA
2017
Dados Internacionais de Catalogação na Publicação
Universidade Federal do Ceará
Biblioteca Universitária
Gerada automaticamente pelo módulo Catalog, mediante os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

M836q Moreira, Antônio Aurélio Gomes.
Química e bioquímica quântica do agrotóxico imidacloprido : o matador de abelhas / Antônio Aurélio
Gomes Moreira. – 2017.
258 f. : il. color.

Tese (doutorado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciências, Programa de Pós-Graduação em
Química, Fortaleza, 2017.
Orientação: Prof. Dr. Pedro de Lima-Neto.
Coorientação: Prof. Dr. Valder Nogueira Freire.

1. Neonicotinóides. 2. Imidacloprido. 3. Abelha. 4. MFCC. 5. receptor nAChR. I. Título.
CDD 540
ANTÔNIO AURÉLIO GOMES MOREIRA

QUÍMICA E BIOQUÍMICA QUÂNTICA DO AGROTÓXICO IMIDACLOPRIDO: O
MATADOR DE ABELHAS

Tese apresentada ao Programa de
Pós-Graduação em Química, do Departamento
de Química Analítica e Físico-Química da
Universidade Federal do Ceará, como parte dos
requisitos para a obtenção do título de Doutor
em Química. Área de concentração: Química
computacional.

Aprovada em: ___/___/______.

BANCA EXAMINADORA

________________________________________
Prof. D.r Pedro de Lima-Neto (Orientador)
Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________
Prof. D.r Valder Nogueira Freire
Universidade Federal do Ceará (UFC)

_________________________________________
Prof. D.r Paulo de Tarso Cavalcante Freire
Universidade Estadual do Ceará (UFC)

_________________________________________
Prof. D.r Paulo Naftali da Silva Casciano
Universidade Estadual do Ceará (UFC)

_________________________________________
Prof. D.r Emmanuel Silva Marinho
Universidade Estadual do Ceará (UECE)
À minha família... Ao meu pai, Antônio,
símbolo da esperança e do amor. À minha mãe,
Adelina, símbolo da fé e do amor. Às minhas
irmãs: Eliane, Cristina, Francisca, Cristiane e
Cleane, símbolo da união. À minha esposa,
Jacilene, símbolo da amizade e da agregação.
AGRADECIMENTOS

Aos meus orientadores, D.r Pedro de Lima-Neto e D.r Valder Nogueira Freire, por
terem me acolhido em seus grupos de pesquisa, pela confiança em mim depositada, pela
orientação direta e específica ao trabalho, e pela orientação profissional e pessoal, ou seja, por
terem me guiado, aconselhado, ... me ajudado. Agradeço aos meus orientadores pela
participação que tiveram no meu despertar para a importância da autonomia profissional e da
escrita científica, essa última, muitas vezes, torna-se uma barreira intransponível nos cursos de
Pós-Graduação no Brasil.
Agradeço ao colaborador, o professor D.r Ewerton Wagner Santos Caetano, pelo
empenho na correção dos trabalhos, por estar aberto a ajudar diante das dúvidas, principalmente
com relação aos conceitos, fundamentos e princípios da físico-química computacional.
Agradeço pelo empenho e contribuição dada ao grupo de pesquisa, pois a todos beneficia.
Também agradeço de forma especial ao D.r Ito Liberato Barroso-Neto, por ter sido um
amigo e companheiro de trabalho, aberto às discussões, perspectivas e questionamentos, uma
figura importante no meu aprendizado da escrita científica, que apenas começou. Agradeço por
sugerir, muitas vezes, ideias para solução de problemas, principalmente sobre a temática da
bioquímica de proteínas e interações.
Àqueles que contribuíram de forma indireta, minha esposa Antônia Jacilene Silva de
Maria, por seu apoio, confiança, fé em mim depositada, estímulo, carinho, respeito, paciência
e amor... À minha irmã, D.ra Cleane Gomes Moreira, por compartilhar comigo as vivências da
Pós-Graduação, por nossas conversas, pelo amor, carinho e afetividade... Ao meu cunhado, M.e
Lineker Costa Passos, por nossas conversas instigantes, filosóficas, políticas, conversas de
descobrimento e de autoconhecimento, agradeço pelo incentivo, pelo respeito.
Aos amigos do grupo de Química teórica (GQT) do Departamento de Química
Analítica e Físico-Química da UFC, e aos amigos do grupo (Labinítio) de modelagem
molecular do Departamento de Física da UFC: D.r Ricardo Pires dos Santos, D.r Agmael
Mendonça Silva, D.r Bruno Lopes de Sousa, D.r Eduardo Henrique Salviano Bezerra,
D.r Geancarlo Zanatta, M.e Bruno Poti e Silva, D.r Roner Ferreira da Costa, D.ra Eveline
Matias Bezerra, M.e Stefane Nunes Costa; agradeço aos amigos D.r Thiago dos Santos
Francisco e D.r Francisco Adilson Matos Sales, pelas medidas experimentais realizadas; às
alunas de iniciação científica Thais Martins Oliveira Mesquita, Letícia de Oliveira Santos,
Letícia de Castro Viana e Rebeca de Araújo Silva. Agradeço a esses amigos pelos momentos
de descontração e pelas importantes contribuições dadas por todos, desde as discussões
profissionais até as discussões mais simples e pessoais.
Em especial, agradeço à D.ra Ana Caroline Vasconcelos Martins e ao D.r Glaydson
Leandro Farias Mendonça, pela receptividade quando entrei no grupo de química teórica
(GQT). À Caroline Martins por ter me ajudado no desenvolvimento do trabalho sobre proteínas
e interações.
Agradeço ao amigo, M.e Mauricélio Bezerra da Silva, pelas diversas vezes que esteve
disponível a ajudar no que diz respeito ao trabalho de modelagem de cristais. Agradeço ao
amigo pelos momentos de descontração.
Agradeço aos amigos M.e Lute Rafael de Souza e M.e Leonardo Farias Serafim, pelo
companheirismo. Por termos iniciado o trabalho juntos, ambos tivemos o importante papel de
ajudar, sustentar, aconselhar e conversar. Agradeço aos amigos pelos momentos de
descontração.
Agradeço ao amigo M.e Adailton Azevêdo Araújo Filho, jovem e potencial cientista.
Agradeço pelo respeito, admiração, receptividade e momentos de descontração.
Ao D.r Francisco Tiago Leitão Muniz, amigo aventureiro..., parceiro desde os tempos
de graduação na Universidade Estadual Vale do Acaraú, tempos de “descobrimento”.
Ao professor D.r Alejandro Pedro Ayala, por ceder sua equipe técnica e disponibilizar
seus equipamentos para as medidas de infravermelho e Raman; agradeço à Maria Silmara Alves
de Santana, pelas medidas experimentais realizadas.
Ao Departamento de Química Analítica e Físico-Química da UFC. Ao empenho dos
coordenadores do programa de Pós-Graduação neste período em que estive presente, os
professores D.r Marcos Carlos de Mattos e D.r Luiz Gonzaga de França Lopes. Aos secretários
do curso de Pós-Graduação, Célia Regina Xavier de Sena e José Orlando Soares de Oliveira.
Ao CENAPAD-UFC, por fornecer os recursos computacionais necessários para a
execução do projeto; à equipe CENAPAD-UFC, exemplo de cooperativismo e
profissionalismo.
À CAPES, pelo apoio financeiro sem o qual este projeto não teria sido desenvolvido.
Ao manifesto e ao não manifesto (a intenção, a ideia, a palavra, a força, o verbo, o
equilíbrio, ...).
“A universidade precisa ajudar o Brasil a entrar
em uma nova visão da ciência, tecnologia e
inovação que é o fato de que nós precisamos
transformar as pesquisas nas universidades em
solução para os problemas brasileiros e em
geração de riqueza para o país" (Mario Neto
Borges, presidente do Conselho Nacional de
Desenvolvimento Científico e Tecnológico,
CNPq; 5ª Jornada UnB de Inovação).
RESUMO

Danos causados por insetos na agricultura são um problema reconhecido historicamente. O
desenvolvimento de áreas da ciência tornou possível a fabricação de produtos eficientes no
controle de pragas. O imidacloprido, primeiro inseticida neonicotinóide, está entre os produtos
mais consumidos no mercado mundial de agroquímicos. No entanto, estudos mostram que há
relação entre o uso do imidacloprido e a morte das abelhas, importantes polinizadores. As
características estruturais e eletrônicas do imidacloprido são essenciais para o entendimento de
sua interação com aminoácidos dos receptores de acetilcolina nicotínicos (nAChRs). Neste
trabalho, o estudo conformacional da molécula isolada do imidacloprido foi realizado no escopo
da teoria do funcional da densidade (DFT), funcionais M06-2X e B3LYP (solvatação PCM e
vácuo), no código Gaussian 09. A energia da célula unitária do cristal foi minimizada utilizando
as parametrizações LDA-CAPZ e GGA-PBE-TS, implementadas no código CASTEP. As
propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e vibracionais da molécula e do cristal foram
calculadas e comparadas aos dados experimentais. Além disso, realizou-se o estudo da interação
entre o imidacloprido e resíduos do domínio de ligação AChBP da Aplysia californica,
homólogo aos receptores nAChRs. As energias de interação foram calculadas aplicando a
parametrização DFT fornecida pelos funcionais GGA-PW91-OBS (modelo de solvatação
COSMO), no código Dmol3. O sistema proteico foi dividido em partes menores, empregando
o método de fragmentação com capas conjugadas (MFCC). No cálculo das energias de
interação, utilizou-se a constante dielétrica variável (inomogênea) e fixa. A análise
conformacional com o funcional M06-2X forneceu quatro estruturas (uma na fase gás e três no
modelo PCM); já com o funcional B3LYP foram encontrados dois confôrmeros na fase gás e
dois no modelo PCM. A análise populacional de Hirshfeld mostra que o nitrogênio imina tem
maior carga negativa, enquanto a análise NPA indica que o nitrogênio secundário do imidazole
tem maior carga negativa. Observou-se que o nitrogênio terciário do imidazole, considerado
um sítio de carga positiva, tem carga -0,04e (Hirshfeld) e -0,48e (NPA). Os comprimentos das
ligações nos grupos nitro e guanidina são uma indicação da deslocalização eletrônica nesses
grupos. O orbital HOMO (LUMO) localiza-se no anel imidazole e cloropiridíneo (grupo nitro
e guanidina). O perfil das curvas dos espectros de infravermelho e Raman calculados com os
funcionais M06-2X e B3LYP tornou possível identificar diversas bandas dos espectros
experimentais. A deconvolução do espectro de absorção óptica sugere que a primeira energia
de excitação ocorre em 4,11 eV; à essa linha de absorção, atribuiu-se as transições eletrônicas
H -> L (M06-2X) e H -> L (B3LYP). A principal linha de absorção experimental, em
-8 0 0 0
4,56 eV, ocorre devido à transição H -> L (M06-2X) e H -> L (B3LYP). A análise da
0 0 2 0
estrutura de bandas do cristal mostrou que os níveis de energia do topo da banda de valência e
da região inferior da banda de condução são constituídos pelos orbitais p dos átomos de
nitrogênio; a lacuna de energia entre essas bandas é de 2,72 eV (gap direto). A extrapolação
linear da curva de absorção óptica (método de Tauc) indica que a transição da banda
fundamental de absorção é direta e vale 3,50 eV. O gráfico da função dielétrica complexa
mostra que a transição eletrônica que forma a banda fundamental de absorção inicia-se a partir
de 2,62 eV. As bandas experimentais de infravermelho e Raman foram identificadas pela
comparação com as linhas espectrais calculadas para o cristal. As energias de interação
encontradas pelo método MFCC sugerem que os resíduos mais relevantes na interação com o
imidacloprido são Trp147 (-19,16 kcal mol-1) e Tyr188 (-14,02 kcal mol-1), ambos pertencentes
à cadeia B; enquanto na cadeia A, tem-se os resíduos Ile118 (-16,97 kcal mol-1) e Tyr55 (-5,34
kcal mol-1). Outros resíduos importantes para a interação também foram identificados (por
exemplo, Ser189, Val148, Cys190, Cys191, Ile106). A blindagem promovida pelos resíduos
laterais (capas) influencia a interação, logo, o método MFCC mostra-se uma ferramenta viável
e de baixo custo computacional.

Palavras-chave: Neonicotinóides. Imidacloprido. Abelha. MFCC. Receptor. nAChR.