Publicação

Desenvolvimento de nanomateriais hidrofílicos de carbono com propriedades biomiméticas de enzimas antioxidantes

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O presente trabalho foca-se no desenvolvimento de nanomateriais de carbono capazes de mimetizar, em termos de especificidade e eficiência catalítica, enzimas que integram o sistema de defesa antioxidante das células. Para abordar este desafio utilizaram-se nanomateriais hidrossolúveis, gerados eletroquimicamente num ânodo de grafite sob polarização galvanostática (NHC – nanomateriais hidrofílicos de carbono). A estratégia adotada para modular as propriedades de oxidação-redução dos NHC envolveu a modificação da composição química do eletrólito utilizado na síntese. O eletrólito utilizado na síntese eletroquímica revelou ter um forte impacto nas características estruturais, morfológicas e químicas dos nanomateriais, em particular no grau de oxidação do nanomaterial. Com base no comportamento voltamétrico das soluções de nanomateriais, tal como são sintetizados, selecionaram-se quatro populações distintas de materiais, agrupadas em duas classes: a) nanomateriais preparados no estado oxidado com potencial redox formal semelhante aos dos centros catalíticos da enzima nativa SOD (preparados em solução-tampão fosfato); b) nanomateriais preparados no estado reduzido, com capacidade de promover a redução do O2 •− e H2O2 (preparados em soluções-tampão citrato, malato ou tartarato). Demonstrou-se que os nanomateriais que apresentam carácter oxidante (NHC@fosfato) têm uma atividade tipo-SOD que aumenta com o aumento da força iónica da solução, expressa preferencialmente na forma de fosfato de sódio ou de potássio. Estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-catalase nem do tipo-peroxidase, mas apresentam capacidade de sequestrar/adsorver o H2O2 quando este está presente numa baixa concentração. Relativamente à segunda classe de nanomateriais, o NHC@cítrico e o NHC@tartárico apresentam uma elevada atividade redutora e exibem uma elevada capacidade de mimetizar antioxidantes não enzimáticos, evidenciada pelos tradicionais ensaios de atividade antioxidante (e.g., ABTS, DPPH, Folin-Ciocalteau). Todavia, estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-SOD. Em contrapartida, os nanomateriais desta classe com menor teor de espécies redutoras, NHC@málico, apresentam atividade catalítica do tipo-SOD, apesar da sua eficiência catalítica ser menor do que a exibida pelos NHC@fosfato. Considerando o potencial dos NHC@málico e NHC@fosfato para aplicações terapêuticas, mostrou-se que estes não apresentam citotoxicidade em duas linhas celulares humanas: células neuronais (SH-SY5Y) e queratinócitos (HaCaT). Os nanomateriais sintetizados nas soluções-tampão orgânicas apresentam ainda elevada reatividade com o oxigénio molecular e o peróxido de hidrogénio. As diferenças na atividade antioxidante, catalítica e eletroquímica dos nanomateriais mantidos no meio eletrolítico onde estes são gerados eletroquimicamente, foram interpretadas com base na estabilidade relativa das formas quinóide, as quais são modeladas com base no eletrólito utilizado na síntese eletroquímica. Na solução-tampão fosfato, a forma preferencial é a quinona (eletroativa); na solução-tampão tartarato é a semiquinona (eletroativa) e na soluçãotampão citrato é o aduto quinona-superóxido (não-eletroativa). Já na solução-tampão malato, o nanomaterial deverá estar preferencialmente numa forma não-eletroativa, resultante da funcionalização do nanomaterial com o próprio ácido málico, como revelado na caracterização estrutural. Demonstrou-se ainda que as duas entidades semiquinona e aduto quinona-superóxido, são convertíveis entre si num ciclo redox mediado pelo oxigénio molecular, o que permitiu racionalizar a evolução temporal da resposta voltamétrica e da atividade catalítica e antioxidante dos nanomateriais ao longo do tempo de armazenamento. A formação do aduto é corroborada por resultados espectroscópicos e pela deteção de peróxido de hidrogénio. Com recurso a um conjunto de técnicas de caracterização morfológica, química e estrutural, concluiu-se que sob as condições de síntese adotadas nesta tese, os nanomateriais apresentam particularidades que os distinguem dos carbon dots descritos na literatura: a) balanço de carga  0; b) capacidade para se auto-organizarem em estruturas supramoleculares de elevadas dimensões; c) capacidade para se auto-organizarem em estruturas em cadeia e/ou helicoidais (NHC preparados nas soluções-tampão orgânicas); d) alta afinidade para o ião Na+ em detrimento do K+ (NHC após diálise, preparado na solução-tampão fosfato). A conjugação dos dados experimentais de espectroscopia de Raman com cálculos teóricos de TFD permitiu concluir que o núcleo grafítico dos NHC dialisados é constituído por 7 a 12 anéis de benzeno dispostos de forma simétrica e compacta e que o núcleo grafítico do NHC@fosfato não sofre alterações significativas após a diálise. Estudos com diferentes substituintes, mostraram que a presença de um grupo orto-quinona e um grupo vinil promovem uma maior aproximação dos dados teóricos aos experimentais. A sistematização da caracterização dos nanomateriais, realizada em diferentes fases do processo de remoção do eletrólito utilizado na síntese eletroquímica, permitiu concluir que a eliminação gradual do eletrólito promove a modificação estrutural do nanomaterial, quer este tenha sido sintetizado na solução-tampão orgânica ou inorgânica. Em suma, demonstrou-se que o eletrólito desempenha um papel crucial na modelação das propriedades redox, catalíticas e antioxidantes dos nanomateriais, assim como na sua estabilidade química.
Autores principais:	Veloso, Andreia Daniela Rosa
Assunto:	Nanomateriais de carbono hidrossolúveis Oxidação-redução Nanoenzimas SOD Biomimetismo Química computacional
Ano:	2024
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso embargado
Instituição associada:	Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro
Idioma:	português
Origem:	Repositório da UTAD

Descrição
Resumo:	O presente trabalho foca-se no desenvolvimento de nanomateriais de carbono capazes de mimetizar, em termos de especificidade e eficiência catalítica, enzimas que integram o sistema de defesa antioxidante das células. Para abordar este desafio utilizaram-se nanomateriais hidrossolúveis, gerados eletroquimicamente num ânodo de grafite sob polarização galvanostática (NHC – nanomateriais hidrofílicos de carbono). A estratégia adotada para modular as propriedades de oxidação-redução dos NHC envolveu a modificação da composição química do eletrólito utilizado na síntese. O eletrólito utilizado na síntese eletroquímica revelou ter um forte impacto nas características estruturais, morfológicas e químicas dos nanomateriais, em particular no grau de oxidação do nanomaterial. Com base no comportamento voltamétrico das soluções de nanomateriais, tal como são sintetizados, selecionaram-se quatro populações distintas de materiais, agrupadas em duas classes: a) nanomateriais preparados no estado oxidado com potencial redox formal semelhante aos dos centros catalíticos da enzima nativa SOD (preparados em solução-tampão fosfato); b) nanomateriais preparados no estado reduzido, com capacidade de promover a redução do O2 •− e H2O2 (preparados em soluções-tampão citrato, malato ou tartarato). Demonstrou-se que os nanomateriais que apresentam carácter oxidante (NHC@fosfato) têm uma atividade tipo-SOD que aumenta com o aumento da força iónica da solução, expressa preferencialmente na forma de fosfato de sódio ou de potássio. Estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-catalase nem do tipo-peroxidase, mas apresentam capacidade de sequestrar/adsorver o H2O2 quando este está presente numa baixa concentração. Relativamente à segunda classe de nanomateriais, o NHC@cítrico e o NHC@tartárico apresentam uma elevada atividade redutora e exibem uma elevada capacidade de mimetizar antioxidantes não enzimáticos, evidenciada pelos tradicionais ensaios de atividade antioxidante (e.g., ABTS, DPPH, Folin-Ciocalteau). Todavia, estes nanomateriais não apresentam atividade do tipo-SOD. Em contrapartida, os nanomateriais desta classe com menor teor de espécies redutoras, NHC@málico, apresentam atividade catalítica do tipo-SOD, apesar da sua eficiência catalítica ser menor do que a exibida pelos NHC@fosfato. Considerando o potencial dos NHC@málico e NHC@fosfato para aplicações terapêuticas, mostrou-se que estes não apresentam citotoxicidade em duas linhas celulares humanas: células neuronais (SH-SY5Y) e queratinócitos (HaCaT). Os nanomateriais sintetizados nas soluções-tampão orgânicas apresentam ainda elevada reatividade com o oxigénio molecular e o peróxido de hidrogénio. As diferenças na atividade antioxidante, catalítica e eletroquímica dos nanomateriais mantidos no meio eletrolítico onde estes são gerados eletroquimicamente, foram interpretadas com base na estabilidade relativa das formas quinóide, as quais são modeladas com base no eletrólito utilizado na síntese eletroquímica. Na solução-tampão fosfato, a forma preferencial é a quinona (eletroativa); na solução-tampão tartarato é a semiquinona (eletroativa) e na soluçãotampão citrato é o aduto quinona-superóxido (não-eletroativa). Já na solução-tampão malato, o nanomaterial deverá estar preferencialmente numa forma não-eletroativa, resultante da funcionalização do nanomaterial com o próprio ácido málico, como revelado na caracterização estrutural. Demonstrou-se ainda que as duas entidades semiquinona e aduto quinona-superóxido, são convertíveis entre si num ciclo redox mediado pelo oxigénio molecular, o que permitiu racionalizar a evolução temporal da resposta voltamétrica e da atividade catalítica e antioxidante dos nanomateriais ao longo do tempo de armazenamento. A formação do aduto é corroborada por resultados espectroscópicos e pela deteção de peróxido de hidrogénio. Com recurso a um conjunto de técnicas de caracterização morfológica, química e estrutural, concluiu-se que sob as condições de síntese adotadas nesta tese, os nanomateriais apresentam particularidades que os distinguem dos carbon dots descritos na literatura: a) balanço de carga  0; b) capacidade para se auto-organizarem em estruturas supramoleculares de elevadas dimensões; c) capacidade para se auto-organizarem em estruturas em cadeia e/ou helicoidais (NHC preparados nas soluções-tampão orgânicas); d) alta afinidade para o ião Na+ em detrimento do K+ (NHC após diálise, preparado na solução-tampão fosfato). A conjugação dos dados experimentais de espectroscopia de Raman com cálculos teóricos de TFD permitiu concluir que o núcleo grafítico dos NHC dialisados é constituído por 7 a 12 anéis de benzeno dispostos de forma simétrica e compacta e que o núcleo grafítico do NHC@fosfato não sofre alterações significativas após a diálise. Estudos com diferentes substituintes, mostraram que a presença de um grupo orto-quinona e um grupo vinil promovem uma maior aproximação dos dados teóricos aos experimentais. A sistematização da caracterização dos nanomateriais, realizada em diferentes fases do processo de remoção do eletrólito utilizado na síntese eletroquímica, permitiu concluir que a eliminação gradual do eletrólito promove a modificação estrutural do nanomaterial, quer este tenha sido sintetizado na solução-tampão orgânica ou inorgânica. Em suma, demonstrou-se que o eletrólito desempenha um papel crucial na modelação das propriedades redox, catalíticas e antioxidantes dos nanomateriais, assim como na sua estabilidade química.