UNIVERSIDADE FEDERAL DE CINCIAS DA SADE DE PORTO ALEGRE CURSO DE FARMCIA

MODELAGEM MOLECULAR

Luana Dimer Hainzenreder

RESSONNCIA MAGNTICA NUCLEAR

Porto Alegre 2013

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CINCIAS DA SADE DE PORTO ALEGRE CURSO DE FARMCIA

MODELAGEM MOLECULAR

Luana Dimer Hainzenreder

RESSONNCIA MAGNTICA NUCLEAR

Prof. Dr. Rafael Andrade Caceres

Porto Alegre 2013

1. RESSONNCIA MAGNTICA NUCLEAR

Em 1946, os primeiros estudos sobre ressonncia magntica nuclear (RMN) foram publicados acerca de estudos realizados com slidos por Purcell em Harvard e com lquidos por Bloch em Stanford[1-2]. Deste de ento, o enorme avano dessa tcnica, principalmente nas ultimas dcadas, permitiu que a mesma pudesse ser empregada na resoluo de estruturas tridimensionais de protenas de peptdeos em soluo independentemente de informaes de cristalografia, alm da crescente aplicao da mesma na resoluo de outras estruturas, como cidos nuclicos, em substituio as tcnicas anteriormente utilizadas. No entanto, o elevado custo para implantao da infraestrutura necessria para a utilizao de RMN e manuteno dessa infraestrutura ainda uma barreira para sua difuso, fazendo com que seu uso, atualmente, se restrinja apenas a grupos de excelncia[3].

De modo geral, a RMN uma propriedade fsica apresentada por determinados elementos quando excitado pela aplicao de campo magntico sobre o mesmo a determinada frequncia, fazendo com que o mesmo emita um sinal quando retorna ao estado originrio[3-4]. Assim, a RMN se caracteriza como uma tcnica de espectroscopia, pois estuda a interao da radiao eletromagntica (REM) com a matria, no entanto, a particularidade da RMN em relao a outras tcnicas que tambm utilizam a espectroscopia est no fato de essa interao com a matria se dar com o campo magntico e no com o eltrico, sendo utilizadas ondas na regio da radiofrequncia, as quais podem ser absorvidas pela matria conforme as caractersticas da mesma e em condies determinadas[3].

Como grandeza fsica, utilizado o spin nuclear, propriedade apresentada por ncleos que apresentam um nmero impar de prton ou nutrons (ou ambos), que assumem um comportamento caracterstico de momento angular, capaz de gerar um momento magntico (representado por ), uma vez que uma carga em movimento gera um campo magntico. Esses momentos magnticos so descritos atravs do numero de spin I, que so determinados por clculos da mecnica quntica e podem ser 0, , 1, 3/2[3, 5]. Quanto aos tomos com

massa atmica e nmero atmico pares, esses no possuem spin, ou seja, apresentam spin igual a zero e no podem ser detectados por RMN[3].

Na ausncia de um campo magntico, no entanto, os spins nucleares apresentam orientao aleatria e se cancelam de forma que nenhum momento magntico detectvel nesse estado, mas quando um campo magntico externo de alta intensidade e homogneo aplicado, os spins nucleares tendem a assumir determinadas orientaes e se alinharem no mesmo sentido do campo magntico aplicado e o nmero de orientaes que um ncleo pode assumir determinado pelo nmero de spin I, conforme a relao: nmero de spin I + 1[3-4]. Essas diferentes orientaes representam diferentes estados energticos, uma vez que um ncleo com um spin cria seu prprio campo magntico, esse pode estar no mesmo sentido do campo magntico aplicado ou em sentido contrrio, sendo o primeiro o estado de menor energia ( ou +) e o segundo o de maior energia ( ou ), menor ser a energia desse estado e a diferena de energia entre esses nveis esta associada principalmente a intensidade do campo magntico aplicado (B0), que quanto maior, maior ser a diferena de energia entre os nveis (Figura 1), iIsso se torna importante quando ambientes qumicos semelhantes so analisados por RMN, uma vez que sero necessrios campos muito intensos para a obteno de uma boa resoluo[3, 5].

Figura 1. Movimentao de spins sob aplicao de campo magntico externo (B0) (Adaptado de Oliveira, 2008).

A proporcionalidade entre o momento angular e o momento magntico nos d a constante de proporcionalidade e determina a frequncia de ressonncia do ncleo, a qual apresenta um valor nico para cada ncleo. Alm disso, esta constante influencia o acoplamento de spins, a sensibilidade dos ncleos etc[3]. A interao entre um ncleo com um momento magntico e o campo faz com que o campo magntico precesse em torno daquele eixo, mas esse ncleo rotaciona a um ngulo do campo magntico, dando origem ao momento angular (Figura 2), sendo a frequncia desse movimento chamada de frequncia de Larmor.

Figura 2. Movimento de precesso - momento angular (Adaptado de Freitas)

Em RMN, um segundo campo aplicado perpendicularmente ao campo B0. Esse segundo campo aplicado na forma de pulsos eletromagnticos e faz com que os ncleos que permaneciam em equilbrio sob a aplicao do primeiro campo sejam excitados. Aps, cessada a aplicao do campo eletromagntico, os ncleos tendem a voltar aos seus estados de equilbrio e do origem ao sinal FID (Free Induction Decay), o sinal de RMN. Mas como uma substncia apresenta vrios ncleos, vrios sinais so gerados e se sobrepem, dificultando a interpretao desse resultado, assim, para facilitar a extrao de informaes utilizada a transformada de Fourier para os diferentes sinais de FID e d origem ao espectro de RMN que consiste em uma serie de frequncias denominadas deslocamentos qumicos[3].

Com base nos princpios aqui j descritos, esperaria-se que um mesmo tipo de ncleo deveria absorver a uma mesma frequncia, no entanto, o que ocorre experimentalmente so diferentes absores a diferentes frequncias apesar de se tratar de um mesmo tipo de ncleo, isso ocorre em funo da blindagem termo que se referente aos ncleos e eltrons da vizinhana do ncleo analisado. Isso ocorre uma vez que essas partculas carregadas geram um campo magntico induzido que pode se opor (efeito de blindagem) ou no (efeito de desblindagem) ao campo externo e, assim, a intensidade do campo magntico externo apresenta um valor efetivo diferente, conforme a vizinhana de cada ncleo analisado. Desta forma, essa diferena de frequncia de absoro de um ncleo analisado em relao a um ncleo tipo como padro chamado deslocamento qumico[3].

Outro fenmeno observado no espectro de RMN o acoplamento spin-spin, atravs da formao de sinais que aparecem como dupletos, tripletos, quartetos etc, e isso ocorre quando ncleos que esto em diferentes ambientes eletrnicos esto prximos entre si, sendo que a intensidade destes picos no a mesma e pode ser obtida pelo tringulo de Pascal[3].

1.1. RESSONNCIA MAGNTICA NUCLEAR EM DUAS DIMENSES

O desenvolvimento da ressonncia magntica nuclear em duas dimenses aumentou o poder de resoluo desta tcnica. Para sua realizao, algumas vezes, dependendo da tcnica, faz-se necessrio um tempo de preparao, no qual pulsos ou apenas um perodos de tempo aplicado para que um sistema de spins alcance o equilbrio trmico, o RMN propriamente dito chamado de tempo de evoluo, constituindo a diferena ente o RMN uni e bidimensional, uma vez que na tcnica unidimensional esse tempo apenas funo do tempo de deteco, perodo em que se adquire o sinal do FID, que nos fornece um espectro de RMN, sendo que a aplicao da transformada de Fourier nos FIDs obtidos nos fornece espectros unidimensionais, sendo necessria a aplicao de outra transformada de Fourier ao longo do tempo de evoluo para a obteno de um espectro bidimensional[3].

O espectro obtido pode ser observado atravs do grfico superposto, chamado de stacked, e o grfico de contorno, que um corte horizontal do grfico

superposto, este ltimo sendo mais utilizado, embora menos fcil de visualizar, devido a obteno de um diagrama mais claro e fcil de analisar[3].

2. CONCLUSO

O desenvolvimento da RMN possibilitou a resoluo de vrias estruturas tridimensionais e avanos no estudo de dinmica molecular entre outros avanos, tendo sido aplicada no estudo de proteomas como forma mais eficiente de determinar as estruturas tridimensionais das protenas.

3. REFERNCIAS

1. BLOCH, F.; HANSEN, W.W.; PACKARD, M. The Nuclear Induction Experiment. Physical Review, 1946. 70(7-8): p. 474-485.

2. PURCELL, E.M. Ressonance absorption by nuclear magnetic moments in a solid. Physical Review, 1946. 69(1-2): p. 37-38.

3. NASCIMENTO, C.J.B., C. J., Ressonncia Magntica Nuclear: Gradus Primus. Biotecnologia, Cincia e Desenvolvimento, 2001. 21(julho/agosto): p. 52-62.

4. OLIVEIRA, S.C., Reviso Bibliogrfica Acerca dos Prinpios de Ressonncia Magntica Nuclear. Departamento de Engenharia Eltrica. Faculdade de Tecnologia. 2008, Universidade de Braslia: Braslia. p. 97.

5. MAZZOLA, A.A., Ressonncia magntica: princpios de formao da imagem e aplicaes em imagem funcional. Revista Brasileira de Fsica Mdica, 2009. 3(1): p. 117-129.