universidade de são paulo instituto de química de são carlos … · 2017. 10. 19. ·...

99
Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação em Química Andressa Ribeiro Pereira Oligomerização da glicose oxidase utilizando ácidos de Brønsted para a aplicação em bioeletroquímica São Carlos 2017

Upload: others

Post on 04-Sep-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

Universidade de São Paulo

Instituto de Química de São Carlos

Programa de Pós-graduação em Química

Andressa Ribeiro Pereira

Oligomerização da glicose oxidase utilizando ácidos de Brønsted para a

aplicação em bioeletroquímica

São Carlos

2017

Page 2: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

1

Andressa Ribeiro Pereira

Oligomerização da glicose oxidase utilizando ácidos de Brønsted para a

aplicação em bioeletroquímica

São Carlos

2017

Tese apresentada ao Instituto de Química de São

Carlos da Universidade de São Paulo como

parte dos requisitos para obtenção do título de

doutor em ciências.

Área de concentração: Físico-Química

Orientador: Prof. Dr. Frank Nelson Crespilho

Exemplar revisado

O exemplar original encontra-se em

acervo reservado na Biblioteca do IQSC-

USP

Page 3: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

2

DEDICATÓRIA

Dedico esta tese a meus pais (Paulo E. R. V.

Pereira e Roseli R. R. Pereira) e a minha irmã

(Gianne R. P. Muramoto), especialmente a minha

mãe Roseli que sempre me incentivou e deu forças

para seguir meus sonhos.

Page 4: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

3

AGRADECIMENTOS

A Deus que sempre me protegeu e me deu ânimo para seguir em frente;

A meus pais, Paulo e Roseli, que me deram apoio e suporte para esta longa caminhada,

mesmo preferindo que eu estivesse mais próxima. Agradeço porque compreenderam e

aceitaram que essa era a minha vontade;

Em especial a minha mãe Roseli que sempre me ouviu e me deu força nos momentos

mais difíceis e que em nenhum momento me deixou esmorecer. Obrigada por ser

presente sempre, obrigada pela forma como você me criou e me ensinou a levar tudo

até o fim e a sempre dar o meu melhor. Obrigada por me apoiar até mesmo nas decisões

que você não achou as mais sábias e também por alguns puxões de orelha que foram

necessários;

A minha irmã, Gianne, que sempre me apoiou e acreditou em mim. Obrigada por todas

as vezes que você demonstrou que se orgulha de mim e obrigada por estar sempre

presente com esse seu jeito divertido de ser;

A Agathinha, que embora considerada um ser irracional, foi meu apoio e consolo em

muitos momentos desde que chegou em casa;

Ao meu orientador prof. Dr. Frank Crespilho, o qual me acompanha desde a iniciação

científica, o meu obrigada por não deixar eu “jogar a toalha” nos momentos de estresse,

por entender os momentos em que me exaltei demais e ter paciência para lidar com eles,

pelas valorosas discussões cientificas, por ter me ensinado grande parte do que eu sei

hoje, enfim, pela orientação e amizade todos esses anos;

A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) pela bolsa de

doutorado direto concedida (2013/19908-2) e pelo apoio financeiro para a realização do

projeto de pesquisa e para a participação em congressos científicos;

Pelos amigos que fiz no IQSC-USP, os quais não citarei para não ser injusta me

esquecendo de ninguém;

Aos meus amigos do Grupo de Bioeletroquímica e Interfaces, que acabaram por se

tornar uma família aqui em São Carlos: Kamila Pagnoncelli, Fernanda Sales, Andressa

Dancini, Danielle Castro, Graziela Sedenho, Roberto Luz, Vítor Carvalho, Lucyano

Macedo, Rodrigo Iost, João Carlos Perbone, Thiago Bertaglia, Mian Abdul Ali, Tharik

Dahwache. Agradeço pelas inúmeras risadas, por vocês fazerem meus dias melhores,

Page 5: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

4

por todas as gordices, pelas conversas sérias quando necessário e por muitas vezes

servirem de um ombro amigo;

Aos meus tios, tias e amigos de São José dos Campos que sempre torceram por mim e

estiveram juntos me incentivando, em especial a tia Eliane pelos nossas conversas e

cafés;

Ao prof. Dr. Júlio César Borges por me auxiliar com as técnicas de eletroforese SDS-

PAGE e dicroísmo circular e por ter colocado a estrutura de seu laboratório e seus alunos

a disposição para me ajudarem;

Ao grupo de Eletroquímica, em especial ao prof. Dr. Ernesto Gonzalez, por

disponibilizar a utilização do equipamento para as medidas de espalhamento dinâmico

de luz;

À CAQI e seus técnicos, principalmente ao Aldimar e ao André por auxiliarem em

alguns experimentos para a caracterização espectroscópica das enzimas;

Ao prof. Dr. Laudemir Varanda por ter disponibilizado a estrutura do laboratório para a

utilização da centrífuga;

Aos professores Dr. Germano Tremiliosi Filho e Dr. André Luiz Meleiro Porto pelas

valiosas contribuições durante o exame de qualificação do doutorado;

Aos professores do Instituto de Química de São Carlos (IQSC-USP) pela minha

formação profissional.

Page 6: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

5

“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas

lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que

deveria ser, mas graças a Deus, não sou o que era

antes.”

(Marthin Luther King)

“O verdadeiro homem mede a sua força quando se

defronta com o obstáculo.

(Antoine de Saint-Exupéry)

Page 7: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

6

RESUMO

A eletroquímica direta de enzimas redox depende da distância entre os sítios redox da proteína

e a superfície do eletrodo e também da eficiência na imobilização dessas enzimas na superfície

eletródica. Dessa forma, a obtenção de enzimas com caráter mais hidrofóbico possibilita a

melhora na interação entre elas e a superfície de eletrodos sólidos, como os de carbono. Neste

estudo, foi desenvolvida uma rota para a obtenção da glicose oxidase oligomerizada (Ol-GOx)

com o objetivo de melhorar a interação entre a enzima e a superfície de fibras de carbono, uma

vez que enzimas oligomerizadas contêm suas porções hidrofóbicas expostas. Para tanto,

diferentes ácidos de Brønsted foram utilizados, sendo que a enzima obtida a partir da reação

com o ácido trifluorometanosulfônico (TFMS) foi a que se manteve ativa cataliticamente. A

Ol-GOx se mostrou um biocatalisador promissor devido a sua hidrofobicidade e seu tamanho,

os quais permitiram uma imobilização mais eficiente em superfícies de carbono. Após a

caracterização estrutural, concluiu-se que a Ol-GOx é formada por um oligômero composto por

várias unidades de GOx nativa, apresentando um raio hidrodinâmico de aproximadamente 96

nm. Por voltametria cíclica estudou-se a transferência direta de elétrons (TDE) entre o cofator

dinucleotídeo de flavina e adenina (FAD) e a superfície das fibras de carbono, sendo observado

um aumento de 7 vezes nas correntes faradaicas em relação ao obtido para a GOx nativa. Além

disso, as propriedades bioeletrocatalíticas foram melhoradas em 30% quando analisada a

oxidação da glicose. Concluiu-se ainda que quanto maior a quantidade de folhas-β presente na

estrutura proteica, maior a TDE observada entre a enzima e a superfície das fibras de carbono.

Palavras-chave: glicose oxidase, oligomerização, agregação proteica, interação proteína-

proteína, transferência direta de elétrons, bioeletrocatálise

Page 8: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

7

ABSTRACT

The direct electrochemistry of redox enzymes is dependent on the distance between the active

centers of the protein and the electrode surface, and also on the efficiency in the immobilization

of these enzymes on the electrodic surface. Thus, the synthesis of more hydrophobic enzymes

could lead to better interaction between the redox enzymes and the solid electrode surfaces,

such as carbon electrodes. In this study, it was proposed a chemical route to obtain oligomerized

glucose oxidase (Ol-GOx), aiming to improve the interaction between the enzyme and the

surface of carbon fibers, since oligomerized proteins have their hydrophobic chains exposed.

After structural characterization, it was concluded that Ol-GOx is formed by several dimeric

units of native GOx with a hydrodynamic radius corresponding to approximately 96 nm. By

cyclic voltammetry, it was studied the direct electron transfer (DET) between the flavin adenine

dinucleotide (FAD) cofactor and the surface of carbon fibers, where it was observed an increase

of 7-fold in the faradaic currents in comparison to that observed for native GOx. Besides,

bioelectrocatalytic properties are 30% improved, when analyzed the glucose oxidation by cyclic

voltammetry. It was also concluded that the greater the β-sheet content in protein structure, the

higher the DET observed between the enzyme and the carbon fibers surface.

Keywords: glucose oxidase, oligomerization, protein aggregation, protein-protein interaction,

direct electron transfer, bioelectrocatalysis

Page 9: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – (a) Representação da estrutura da GOx proveniente da espécie Aspergillus niger

(PDB: 1CF3); (b) Representação do processo de oxidação da β-D-glicose catalisado pela GOx.

Quando o FADH2 reage com oxigênio ocorre a reoxidação do cofator......................................19

Figura 2 – (a) Representação da estrutura tridimensional da GOx proveniente da espécie

Aspergillus niger (PDB: 1CF3) com destaque para o cofator FAD; (b) Destaque para as

interações do FAD com a estrutura proteica..............................................................................20

Figura 3 – Representação estrutural do FAD e de sua densidade eletrônica, com destaque em

círculos amarelos para os aminoácidos de arginina presentes próximos ao sítio ativo

(PDB:1CF3)..............................................................................................................................22

Figura 4 – Representação das estruturas químicas do FAD e FADH2 e de sua reação com o

oxigênio molecular. O grupamento R representa a cadeia lateral...............................................22

Figura 5 – (a) Mecanismo de abstração de hidreto proposto para a reação de oxidação da

glicose, sendo B correspondente a um grupo básico presente na enzima; (b) Etapas do

mecanismo da semi-reação de oxidação da glicose....................................................................24

Figura 6 – Representação esquemática da (a) transferência mediada de elétrons, onde Mr

significa mediador redox e (b) transferência direta de elétrons..................................................25

Figura 7 – Representação esquemática de uma enzima glicosilada e deglicosilada tanto pela

rota enzimática, quanto pela rota química, sendo destacados os tipos de açúcares e seus

derivados presentes na estrutura proteica...................................................................................26

Figura 8 – Representação estrutural do ácido trifluorometanosulfônico (TFMS).....................30

Figura 9 – Fluxograma descrevendo as etapas desse estudo e as técnicas utilizadas em cada

uma............................................................................................................................................33

Figura 10 – Ilustração das etapas do tratamento químico ao qual as FFC são submetidas antes

de serem utilizadas como eletrodos de trabalho nos experimentos eletroquímicos....................41

Figura 11 – (a) Distribuição (por número) de tamanhos obtido pela medida de DLS para a GOx

após o tratamento com diferentes ácidos de Brønsted; (b) Comparação da atividade específica

para a GOx após o tratamento com os diferentes ácidos.............................................................44

Page 10: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

9

Figura 12 – (a) Espectros de UV-Vis e (b) Espectros de FTIR de uma solução de GOx (3,0 mg

mL-1; linha vermelha), GOx-TFMS (3,0 mg mL-1; linha azul), GOx-H2SO4 (3,0 mg mL-1; linha

roxa), GOx- HCl (3,0 mg mL-1; linha laranja) e GOx-HNO3 (3,0 mg mL-1; linha verde)...........45

Figura 13 – Deconvolução das bandas de amida I para (a) GOx-H2SO4, (b) GOx-HCl and (c)

GOx-HNO3, obtidas utilizando a espectroscopia de FTIR; (d) Gráfico comparativo dos

diferentes componentes da estrutura secundária da GOx após a reação com os diferentes ácidos

de Brønsted................................................................................................................................46

Figura 14 – (a) Voltamograma cíclicos dos bioeletrodos FFC-GOx (linha vermelha), FFC-

GOx-TFMS (linha azul), FFC-GOx-HCl (linha roxa), FFC-GOx-H2SO4 (linha laranja) e FFC-

GOx-HNO3 (linha verde); (b) voltamogramas cíclicos após a subtração da corrente capacitiva.

Velocidade de varredura: 100 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-

1, pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera saturada com argônio; (c) Módulo da densidade de

corrente de pico catódico, após a subtração da corrente capacitiva, em função da quantidade de

folhas-β presente na estrutura proteica.......................................................................................47

Figura 15 – (a, d e g) Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos FFC-GOx-HCl, FFC-GOx-

H2SO4 e FFC-GOx-HNO3, respectivamente, em diferentes velocidades de varredura. Eletrólito

suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC; (b, e e h)

Dependência das densidades de corrente de pico anódico (jpa) e catódico (jpc) com a velocidade

de varredura; (c, f e i) Voltamogramas cíclicos referentes à a, d e g, respectivamente, após a

subtração das correntes capacitivas...........................................................................................48

Figura 16 – Eletroforese SDS-PAGE utilizando a coloração com o azul de Coomassie do (i)

padrão de massas moleculares (250 a 60 kDa), (ii) GOx e (iii) Ol-GOx.....................................50

Figura 17 – MALDI-TOF de uma solução de GOx em matriz ácido sinapínico.......................51

Figura 18 – (a) Espectros eletrônicos das soluções de GOx (3,0 mg mL-1; linha vermelha) e

Ol-GOx (3,0 mg mL-1; linha azul); (b) Imagens das soluções de (i) GOx e (ii) Ol-GOx............51

Figura 19 – Imagens de microscopia óptica para a (a e c) GOx e (b e d) Ol-GOx; c e d

correspondem a região ampliada em relação as regiões marcadas em (a) e (b),

respectivamente.........................................................................................................................53

Figura 20 – Absorbância em 276 nm versus a concentração de enzima para (a) GOx, (b) Ol-

GOx e (c) Ol-GOx após a subtração da radiação espalhada.......................................................54

Page 11: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

10

Figura 21 – (a) Distribuição de tamanhos obtido pela medida de DLS para a GOx (linha

vermelha) e Ol-GOx (linha azul); Imagens de microscopia eletrônica de transmissão para a (b)

GOx e (c) Ol-GOx.....................................................................................................................55

Figura 22 – Espectros de dicroísmo circular de uma solução de GOx (linha vermelha) e Ol-

GOx (linha azul), ambas preparadas em tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5)...........56

Figura 23 – Espectros de dicroísmo circular a 25 ºC e a 90 ºC de uma solução de (a) GOx e (b)

Ol-GOx, ambas preparadas em tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5); (c) Estabilidade

térmica da GOx (linha vermelha) e da Ol-GOx (linha azul) com [θ] em 222 nm........................57

Figura 24 – (a) Espectros de FTIR da GOx (linha vermelha) e da Ol-GOx (linha azul); (b e c)

Deconvolução das bandas de amida I para a GOx e Ol-GOx, respectivamente, obtidas por

FTIR..........................................................................................................................................58

Figura 25 – Mapas químicos obtidos com base no sinal obtido por FTIR relativo a banda de

amida I; (a) GOx e (b) Ol-GOx..................................................................................................60

Figura 26 – Gráfico da concentração de glicose versus a formação de H2O2 e curva de

Michaelis-Menten para a catálise da glicose pela (a) GOx e (b) Ol-GOx; (c) Gráfico de

Lineweaver-Burk para a GOx (linha vermelha) e Ol-GOx (linha azul); (d) Região ampliada de

(c)..............................................................................................................................................62

Figura 27 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura das FFC (a) antes e (b) após o

tratamento com KMnO4 e H2SO4; (c e d) FFC após o tratamento químico e a adsorção de GOx

(5 mg mL-1) durante 36 horas.....................................................................................................63

Figura 28 – Voltamogramas cíclicos (a) dos bioeletrodos FFC-GOx (linha vermelha) e FFC-

Ol-GOx (linha azul). Velocidade de varredura: 100 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato

de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera de argônio; (b) após a subtração

das correntes capacitivas...........................................................................................................64

Figura 29 – Estabilidade eletroquímica do bioeletrodo de FFC-Ol-GOx com 40 ciclos

consecutivos. Velocidade de varredura: 50 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio

(0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera de argônio...........................................65

Page 12: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

11

Figura 30 – Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos de (a) FFC -GOx e (b) FFC-Ol-GOx em

diferentes velocidades de varredura. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1;

pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Velocidade de varredura de 0,05 a 1,0 V s-1. Dependência das

densidades máximas de corrente de pico anódico (jpa) e catódico (jpc) em função da velocidade

de varredura para o bioeletrodo (c) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-GOx.............................................66

Figura 31 – Gráficos de Arrhenius para (a) FFC-GOx e (b FFC-Ol-GOx; Gráficos de Laviron

utilizados no cálculo de k0 (25 ºC) para (c) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-GOx..................................69

Figura 32 – Dependência do log (kred + koxi) com o sobrepotencial para os bioeletrodos FFC-

GOx (linha vermelha) e FFC-Ol-GOx (linha azul). As curvas foram simuladas utilizando a

equação 2 no software Matlab®................................................................................................70

Figura 33 – Voltamogramas cíclicos do eletrodo FFC (a) antes (linha preta) e após sucessivas

adições de glicose. Concentração final de glicose no eletrólito: 17,6 mmol L-1; (b) antes (linha

preta) e após sucessivas adições de peróxido de hidrogênio. Concentração final de peróxido de

hidrogênio adicionada ao eletrólito: 13,3 mmol L-1; (c) Ampliação da região de 0,10 a 0,50 V

dos voltamogramas cíclicos de (b). Velocidade de varredura: 50 mV s-1. Eletrólito suporte:

tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Sistema saturado com

oxigênio.....................................................................................................................................71

Figura 34 – Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos (a) FFC-GOx e (b) FFC Ol-GOx na

ausência de oxigênio (linha preta), na presença de oxigênio (linha vermelha) e na presença de

oxigênio após a adição de 13,3 mmol L-1 de glicose no eletrólito. Velocidade de varredura 50

mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25

ºC...............................................................................................................................................72

Figura 35 – Região ampliada da resposta catalítica dos voltamogramas cíclicos da figura 34.

(a) FFC-GOx e (b) FFC-Ol-GOx, ambos na presença de oxigênio, na ausência de glicose (linha

preta) e após sucessivas adições de glicose. Concentração final de glicose: 13,3 mmol L-1; (c)

Gráfico da concentração de glicose versus densidade de corrente em 0,45 V para a GOx (●) e

Ol-GOx (●)................................................................................................................................73

Page 13: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

12

Figura 36 – Curvas de polarização na ausência de glicose para FFC-GOx (linha preta) e FFC-

Ol-GOx (linha cinza) e na presença de 36,7 mmol L-1 de glicose para FFC-GOx (linha

vermelha) e 28,3 mmol L-1 de glicose para FFC-Ol-GOx (linha azul). Eletrólito suporte: tampão

fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera sob saturação de

oxigênio.....................................................................................................................................73

Figura 37 – Resposta amperométrica na presença de diferentes concentrações de glicose

utilizando os bioeletrodos (a) FFC-GOx e (c) FFC-Ol-GOx; Gráfico de concentração de glicose

versus a densidade de corrente obtida na cronoamperometria para (b) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-

GOx. Potencial aplicado: 0,7 V (vs Ag/AgClsat). Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio

(0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera saturada com oxigênio........................74

Figura 38 – Gráficos de Lineweaver-Burk para (a) GOx and (c) Ol-GOx; Gráficos de Hanes-

Woolf para (b) GOx e (d) Ol-GOx. Dados obtidos das cronoamperometrias relativas a

bioeletrocatálise da glicose........................................................................................................75

Page 14: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

13

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Parâmetros α e k0 obtidos por Laviron para a GOx nativa e para a GOx após a reação

com os diferentes ácidos de Brønsted........................................................................................49

Tabela 2 – Deconvolução dos dados do espectro de CD para a GOx e Ol-GOx........................56

Tabela 3 - Porcentagem dos diferentes tipos de estrutura secundária obtidas pela deconvolução

da banda amida I obtida no FTIR...............................................................................................60

Tabela 4 – Parâmetros cinéticos obtidos para a GOx e para a Ol-GOx......................................76

Page 15: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

14

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

GOx – glicose oxidase

FAD – dinucleotídeo de flavina e adenina (flavin adenine dinucleotide)

PBD – Banco de dados de proteína (Protein Data Bank)

His – histidina

TDE – transferência direta de elétrons

TFMS – ácido trifluorometanosulfônico (trifluoromethanesulfonic acid)

HRP – peroxidase de raíz forte (horseradish peroxidase)

Ol-GOx – glicose oxidase oligomerizada

ABTS – 2,2’-azino-bis-(ácido 3-etilbenzotiazolina-6-sulfônico) sal diamônio (2,2´-azino-bis(3-

ethylbenzothazoline-6-sulfonic acid) diammonium salt)

MWCO – molecular weight cut-off

UV-Vis – espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível

FTIR – espectroscopia vibracional na região do infravermelho com transformada de Fourier

(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)

SDS – dodecil sulfato de sódio

SDS-PAGE – eletroforese em gel de poliacrilamida (Sodium dodecil sulfate-poliacrilamide gel

electrophoresis)

DLS – espalhamento dinâmico de luz (Dynamic Light Scattering)

FFC – fibras flexíveis de carbono

CD – dicroísmo circular (Circular Dichroism)

CDNN – programa de deconvolução de espectros de dicroísmo circular

Ag/AgClsat – eletrodo de referência de cloreto de prata em solução saturada de cloreto de

potássio

MALDI-TOF – Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization-Time of flight

Page 16: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

15

LISTA DE SÍMBOLOS

A – absorbância

𝜀 – absortividade molar

b – caminho óptico

c - concentração

[θ] – elipticidade molar

TM – temperatura de desnaturação

KM – constante de Michaelis

kcat – constante catalítica ou número de turnover

Vmáx – velocidade máxima da reação catalisada

j – densidade de corrente

jmax – densidade máxima de corrente

jpa – densidade de corrente de pico anódico

jpc – densidade de corrente de pico catódico

E – potencial

E-E0’ – sobrepotencial

∆E – separação do potencial de pico

λ – energia de reorganização

kred/oxi – constante de velocidade de transferência heterogênea de elétrons de oxidação e redução

kmáx – constante de velocidade máxima

R – constante universal dos gases

T – temperatura

F – constante de Faraday

∆G – energia livre de Gibbs

HAB – acoplamento eletrônico entre o doador e o aceptor de elétrons

h – constante de Planck

kB – constante de Boltzmann

V0 – grau de acoplamento eletrônico

r – distância entre o doador e o aceptor de elétrons

β – coeficiente de decaimento

k0 – constante de velocidade padrão em sobrepotencial zero

n – número de elétrons transferidos

Page 17: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

16

α – coeficiente de transferência eletrônica (grau de simetria entre as constantes de velocidade

de oxidação e de redução)

v – velocidade de varredura

KMapp – constante de Michaelis aparente

ISS – corrente de estado estacionário após a adição de substrato

Imax – corrente máxima obtida sob condições de saturação do substrato

[S] – concentração de substrato

kcat/KM – limite de difusão

Page 18: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

17

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 19

1.1 Glicose Oxidase: estrutura e catálise ........................................................................... 19

1.2 Transferência direta de elétrons................................................................................... 24

1.3 Agregação e oligomerização proteica ......................................................................... 27

1.4 Síntese dos oligômeros utilizando o ácido trifluorometanosulfônico ......................... 29

2 OBJETIVO .......................................................................................................................... 32

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ............................................................................ 33

3.1 Materiais e Reagentes .................................................................................................. 34

3.2 Oligomerização da glicose oxidase nativa .................................................................. 35

3.3 Caracterização ............................................................................................................. 35

3.3.1 Espetroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível ............................. 35

3.3.2 Dicroísmo circular ............................................................................................. 36

3.3.3 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho ................................... 37

3.3.4 Eletroforese SDS-PAGE ................................................................................... 37

3.3.5 MALDI-TOF ..................................................................................................... 38

3.3.6 Espalhamento dinâmico de luz .......................................................................... 39

3.3.7 Microespectroscopia-FTIR ................................................................................ 39

3.3.8 Microscopia eletrônica de transmissão.............................................................. 40

3.4 Cinética enzimática ..................................................................................................... 40

3.5 Eletroquímica: preparação dos eletrodos modificados ................................................ 40

3.6 Eletroquímica: voltametria cíclica e cronoamperometria............................................ 41

3.7 Modelagem cinética: eletroquímica da etapa não-catalítica ........................................ 42

3.8 Cinética: eletroquímica da etapa catalítica .................................................................. 42

Page 19: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

18

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ........................................................................................ 44

4.1 Obtenção dos oligômeros de GOx ............................................................................... 44

4.2 Caracterização da GOx nativa e da Ol-GOx ............................................................... 50

4.3 Cinética enzimática ..................................................................................................... 61

4.4 Eletroquímica da GOx nativa e da Ol-GOx ................................................................ 62

4.4.1 Caracterização dos eletrodos de fibras flexíveis de carbono ............................. 62

4.4.2 Transferência direta de elétrons e cinética de transferência de elétrons ........... 64

4.4.3 Bioeletrocatálise da glicose ............................................................................... 71

5 CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 77

REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 79

APÊNDICES ........................................................................................................................... 92

PUBLICAÇÕES NO PERÍODO DO DOUTORADO ........................................................ 97

Page 20: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

19

1 INTRODUÇÃO

1.1 Glicose oxidase: estrutura e catálise

A glicose oxidase (GOx) (β-D-glicose: oxigênio-oxidorredutase, EC 1.1.3.4) (figura 1a)

é uma enzima da classe das oxidorredutases, sendo responsável pela catálise da oxidação da β-

D-glicose a D-glucono-δ-lactona, além de utilizar o oxigênio molecular como aceptor de

elétrons. Esse produto é posteriormente hidrolisado, de forma não-enzimática, a ácido glicônico

e peróxido de hidrogênio (figura 1b).1

Figura 1 – (a) Representação da estrutura da GOx proveniente da espécie Aspergillus niger (PDB:

1CF3); (b) Representação do processo de oxidação da β-D-glicose catalisado pela GOx. Quando o

FADH2 reage com oxigênio ocorre a reoxidação do cofator.

Fonte: Adaptação de Pereira, A. R. (2017) a partir de PERICIN, D., 2005, p. 738.

A atividade da GOx pode ser identificada a partir de várias fontes, no entanto, para

grande parte da sua caracterização bioquímica, a enzima proveniente do fungo Aspergillus

niger2 tem sido utilizada devido a sua elevada estabilidade química em solução e alta

OHO

HO

OH

H

OHOH

OHO

HO

OH

OHO

GOx

FAD FADH2

O2 H2O2

β-D-Glicose Glucono-δ-Lactona

a)

b)

Page 21: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

20

especificidade com a glicose. Assim, existe um grande interesse em sua utilização para o

desenvolvimento de biossensores3 e bioânodos para biocélulas a combustível.4

Figura 2 – (a) Representação da estrutura tridimensional da GOx proveniente da espécie Aspergillus

niger (PDB: 1CF3) com destaque para o cofator FAD; (b) Destaque para as interações do FAD com a

estrutura proteica.

Fonte: Autoria própria.

(a)

(b)

Page 22: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

21

A GOx proveniente da espécie A. niger é um homodímero de massa molecular igual a

160 kDa contendo uma molécula do grupo prostético dinucleotídeo de flavina e adenina (FAD)

(figura 2) por monômero ligada à estrutura proteica de forma não-covalente,5 sendo que a

dissociação dessas subunidades ocorre somente em condições desnaturantes e é acompanhada

pela perda do cofator.6 Ela é uma glicoproteína com carboidratos do tipo manose

correspondendo entre 10 e 16% de sua massa molecular7 e sua cadeia proteica é formada por

583 aminoácidos.8 As porções de carboidratos estão ligadas N e O-glicosidicamente à estrutura

proteica, sendo que a remoção dos mesmos não afeta de forma significativa a atividade

catalítica e a estabilidade da enzima.9; 10

A molécula da GOx pode ser dividida em dois grandes domínios estruturais. O primeiro

consiste em cinco folhas-β A enoveladas entre três folhas-β B e as hélices H1, H6 e H13,

formando o domínio do FAD. A hélice H1 pertence ao motivo βαβ do domínio do FAD e

possivelmente estabiliza a carga negativa presente no grupo pirofosfato do FAD.11 A hélice

H13 tem pontos similares com N terminal em direção ao anel pirimidínico presente no grupo

flavina, mas não está diretamente ligada ao grupo, sendo a flavina ancorada via ligações de

hidrogênio para o grupo hidroxil da mesma. O segundo domínio é caracterizado pela grande

porção de folhas-β antiparalelas, que suporta seis hélices. Na figura 2b é possível observar os

aminoácidos pertencentes a essas estruturas secundárias, nos quais o FAD está ligado a estrutura

proteica, sendo que as linhas pretas tracejadas representam as ligações de hidrogênio, as pontes

salinas e as interações metálicas, as linhas verdes evidenciam as interações hidrofóbicas e as

linhas verdes tracejadas mostram as interações π-π e π-cátion.

As moléculas de FAD estão localizadas próximas a interface dos dímeros, distante

aproximadamente em 27 Å entre os grupos flavina presentes em cada monômero e mais do que

22 Å entre os grupos adenina, indicando que não ocorre interação entre os grupos prostéticos

do dímero.12 O acesso à flavina no sítio ativo ocorre por uma fenda profunda na estrutura da

enzima, a qual é formada pelos resíduos 75 a 98 da superfície de ambas as subunidades do

dímero. Com exceção a arginina 512 que parece apresentar duas conformações diferentes de

cadeia, todos os resíduos revestem essa fenda, o que pode ser observado pela densidade de

elétrons presente na figura 3.

Page 23: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

22

Figura 3 – Representação estrutural do FAD e de sua densidade eletrônica, com destaque em círculos

amarelos para os aminoácidos de arginina presentes próximos ao sítio ativo (PDB:1CF3).

Fonte: Autoria própria.

A região da enzima que contém os cofatores FAD é responsável pelo reconhecimento

das moléculas de glicose. A figura 4 apresenta a estrutura química simplificada do FAD, o qual

é capaz de se reduzir a FADH2 quando recebe dois prótons e dois elétrons. Ao reagir com o

oxigênio molecular, o FADH2 é reoxidado a FAD produzindo peróxido de hidrogênio.

Figura 4 – Representação das estruturas químicas do FAD e FADH2 e de sua reação com o oxigênio

molecular. O grupamento R representa a cadeia lateral.

Fonte: Autoria própria

O ciclo catalítico da GOx pode ser separado em duas semi-reações, assim como ocorre

em outras flavoenzimas. Durante muitos anos, persistiram duas descrições para a etapa de

oxidação da glicose. Na primeira descrição, o FAD abstrai um hidreto do substrato ligado em

N

N

NH

R

O

O

N

N

NH

R

O

OH

H

2H+, 2e-

FAD FADH2

+ O2 N

N

NH

R

O

O

+ H2O2

FAD

Page 24: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

23

uma única etapa, já na segunda, duas etapas estão presentes, ocorrendo um ataque nucleofílico

sobre o anel isoaloxazina, que precede uma transferência intramolecular de um próton. No

entanto, estudos recentes da GOx contendo análogos de seu cofator revelaram que o mecanismo

mais consistente para a oxidação dos açúcares é pela abstração do hidreto.13 Assim, na primeira

semi-reação, ocorre a oxidação da β-D-glicose pelo mecanismo de abstração de hidreto, onde

um próton é removido do grupo hidroxila do C1 da glicose por um grupo básico da enzima,

com transferência direta da posição C1 da glicose para a posição N5 do FAD, em um

mecanismo concertado, como mostra a figura 5a.14 A molécula de água na enzima livre oxidada

é substituída pela glicose, assim, a molécula de água sai do sítio ativo simultaneamente ao

próton-N3 da histidina 516, ocorrendo também uma transferência concertada do próton da

histidina 516 e do ânion hidreto ao FAD que oxidou a glicose. A lactona subsequente é

substituída pela água, deixando o sítio ativo com a histidina 516 protonada e a coenzima na

forma FADH-, como mostrado no esquema presente na figura 5b. Para a regeneração do FAD

tem-se outra semi-reação, onde a coenzima reduzida (FADH-) é reoxidada a FAD pela molécula

de oxigênio, a qual é reduzida a peróxido de hidrogênio. Essa reação procede via duas

transferências de um elétron cada, sendo esse mecanismo proposto a partir de investigações

cristalográficas da estrutura terciária da glicose oxidase.14

Em resumo, uma semi-reação envolve a oxidação da β-D-glicose a glucono-δ-lactona

pela transferência de um hidreto da flavina, iniciando a abstração de um próton do grupo

hidroxil O1 da glicose. A glucono-δ-lactona formada é em seguida hidrolisada de forma não-

enzimática a ácido glicônico. Na outra semi-reação, dois prótons e dois elétrons são transferidos

da enzima para o oxigênio molecular, produzindo peróxido de hidrogênio e regenerando o

estado oxidado da enzima.15 Na primeira semi-reação, a GOx faz a mediação na transferência

de hidreto da ligação C–H da glicose para o FAD,16 e na segunda semi-reação, ocorre a oxidação

do cofator reduzido (FADH-) pelo oxigênio molecular, formando peróxido de hidrogênio como

produto. As evidências apontam que a transferência do elétron durante a oxidação do FADH- é

a etapa limitante da velocidade da reação.17

As flavinas são cofatores enzimáticos bastante versáteis que se submetem a reações de

transferência de elétrons e de transferência acoplada de prótons e elétrons,18; 19 fazendo com

que as flavoenzimas estejam envolvidas em diversos processos químicos e fotoquímicos desde

a oxidação de C–H20 até o transporte de elétrons.21 Como citado, a GOx é uma proteína

homodimérica encontrada predominantemente em fungos e cada subunidade dessa proteína

contém uma molécula de FAD ligada de forma não-covalente à estrutura proteica a

aproximadamente 15 Å da superfície.2 Enzimas que apresentam cofatores orgânicos não têm as

Page 25: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

24

vantagens apresentadas pelas metaloenzimas, como por exemplo a ocorrência da transferência

de elétrons e estabilização eletrostática em uma única etapa22 e a modulação dos potenciais

redox, melhorando a afinidade pelo oxigênio molecular.23 No entanto, elas permitem usar o

ambiente proteico de forma especializada a fim de ajudar a superar as barreiras cinéticas e

termodinâmicas associadas com a ativação do oxigênio molecular. A caracterização física da

proteína como dielétrico pode ser a chave para entender como as proteínas, como a GOx,

facilitam as reações de transferência de carga envolvendo seus ciclos catalíticos, sendo que o

ambiente eletrostático no qual a proteína se encontra é importante para a catálise da

transferência dos elétrons devido as exigências energéticas.24; 25

Figura 5 – (a) Mecanismo de abstração de hidreto proposto para a reação de oxidação da glicose, sendo

B correspondente a um grupo básico presente na enzima; (b) Etapas do mecanismo da semi-reação de

oxidação da glicose.

Fonte: Adaptação de Pereira, A. R. (2017) a partir de PERICIN, D., 2005, p. 738.

1.2 Transferência direta de elétrons

As reações enzimáticas que ocorrem na superfície do eletrodo podem se proceder de

duas maneiras. A primeira é baseada na utilização de mediadores redox (figura 6a) e nesse caso,

a enzima catalisa a oxidação e redução do mediador.26 Nesse tipo de sistema, o processo

catalítico envolve a transformação do analito e do mediador, sendo que a utilização de espécies

mediadoras de elétrons se faz necessária devido a volumosa estrutura proteica de algumas

enzimas, que distancia o cofator redox da superfície do eletrodo. Já a segunda maneira

a)

b)

Page 26: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

25

corresponde a transferência direta de elétrons (TDE) (figura 6b).27 Nesse caso, o elétron é

transferido diretamente do centro ativo da enzima para a superfície do eletrodo, sem o auxílio

de outras espécies, fornecendo informações importantes em relação à termodinâmica e à

cinética dos processos biológicos redox.

Figura 6 – Representação esquemática da (a) transferência mediada de elétrons, onde Mr significa

mediador redox e (b) transferência direta de elétrons.

Fonte: Autoria própria.

Obter a TDE entre o centro ativo de uma enzima e um eletrodo é muito importante para

o desenvolvimento de dispositivos bioeletrônicos,28 uma vez que a eficiência dessa

transferência e os métodos de imobilização enzimática refletem no desempenho dos

bioeletrodos. Para a ocorrência da TDE em proteínas redox, alguns pré-requisitos precisam ser

considerados. De acordo com a teoria de Marcus,29 a velocidade da TDE entre dois sítios redox

irá depender de três fatores: a energia de reorganização, que é dividida entre as contribuições

de esfera externa e interna, as quais correspondem a reorientação do solvente necessária devido

a alteração da molécula e de suas cargas e a energia necessária para alterar as distâncias de

ligações, respectivamente;30 a diferença de potencial entre os sítios redox e a distância entre

esses sítios redox.31 Dessa forma, a TDE tem sido observada em proteínas redox onde o sítio

ativo está localizado próximo a superfície da proteína. No entanto, o desafio está em conseguir

obter a TDE para enzimas nas quais o sítio ativo está localizado no interior da proteína em um

local de difícil acesso. Nesse caso, a transferência de elétrons entre o centro ativo e o eletrodo

é bastante lenta. Assim, apesar dessa transferência ser atrativa devido a simplicidade do

sistema,27; 32 além desse tipo de eletrodo poder trabalhar em uma faixa de potencial próxima a

do potencial redox da própria enzima, há um desafio importante em conseguir obter essa

transferência direta de forma eficiente, uma vez que em alguns casos, como o da GOx, por

b) a)

Page 27: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

26

exemplo, seu centro redox, o FAD, está localizado profundamente na apoenzima,33; 34 cerca de

13-15 Å,2 fazendo com que a velocidade dessa transferência seja lenta.

Assim, com o intuito de promover uma TDE eficiente, interfaces de eletrodo precisam

ser criadas ou ainda modificações estruturais podem ser induzidas na proteína para melhorar a

resposta eletroquímica entre a proteína e a superfície do eletrodo. Uma das estratégias adotada

para isso é a utilização de eletrodos com nanotubos de carbono35; 36 ou ainda fibras flexíveis de

carbono (FFC) esfoliadas de forma a produzir grafeno em suas bordas.37 Em relação a utilização

das FFC, nosso grupo tem demonstrado nos últimos anos que elas são eletrodos altamente

eficientes,37; 38; 39 uma vez que permitem o desenvolvimento de bioeletrodos flexíveis e

biocompatíveis, os quais podem ser utilizados na miniaturização de dispositivos implantáveis,

por exemplo. Uma outra estratégia possível é a alteração da estrutura proteica por

procedimentos como o de deglicosilação, o qual é responsável por retirar glicanos da estrutura

proteica sem desnaturar a enzima,40; 41, como exemplificado na figura 7, na qual a estrutura em

azul representa uma proteína inicialmente glicosilada (1), após a etapa de deglicosilação

enzimática (2) e por fim após a etapa de deglicosilação química utilizando o TFMS (3). Esse

tipo de procedimento faz com que a enzima fique menor, aproximando seu cofator da superfície

do eletrodo.

Figura 7 – Representação esquemática de uma enzima glicosilada e deglicosilada tanto pela rota

enzimática, quanto pela rota química, sendo destacados os tipos de açúcares e seus derivados presentes

na estrutura proteica.

Fonte: Adaptação de Pereira, A. R. (2017) a partir de EDGE, A. S. B., 2005, p. 343.

Page 28: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

27

Um outro tipo de modificação possível para a estrutura proteica é a oligomerização das

proteínas e nesse caso, as unidades da proteína nativa são aglomeradas, expondo as cadeias

hidrofóbicas,42 melhorando a interação da enzima com a superfície de eletrodos de carbono.

A associação entre subunidades pode variar em relação a força e a duração. Sabe-se que

muitas proteínas são encontradas em seu estado oligomérico e outras apresentam a tendência à

associação com a posterior oligomerização sendo dependentes das condições do ambiente no

qual elas se encontram.43 Além disso, as proteínas podem ser oligomerizadas em resposta a

diferentes estímulos, como a hidrólise de nucleotídeos ou o estado de fosforilação.

É importante destacar que as interações hidrofóbicas, e consequentemente o grau de

hidrofobicidade da molécula, são um ponto crucial para a definição de interfaces homo-

oligoméricas, uma vez que cerca de dois terços dos resíduos presentes na interface não são

polares,44; 45 correspondendo a uma fração muito maior em relação à superfície de resíduos que

não interagem. Como demonstrado por Hashimoto e Panchenko,46 a composição dos

aminoácidos nas interfaces oligoméricas difere daquela nas superfícies e nas regiões internas

da proteína,47 sendo confirmado que a maioria das interfaces dos dímeros contêm aminoácidos

hidrofóbicos e aromáticos. Além disso, propondo algumas substituições, Nishi e Ota48

demonstraram que a maioria das substituições que envolviam resíduos aromáticos e

hidrofóbicos aumentaram a afinidade de ligação e a estabilização dos oligômeros. Em relação

ao processo de agregação física, algumas evidências sugerem que a pequena população de

intermediários enovelados e desenovelados é a precursora do processo de agregação. Isso

ocorre porque esses intermediários expõem mais as porções hidrofóbicas, além de apresentarem

maior flexibilidade quando comparados com o estado enovelado. Proteínas completamente

enoveladas ou desenoveladas não se agregam facilmente, uma vez que as cadeias com os sítios

hidrofóbicos estão em sua maioria localizadas no interior da proteína, onde praticamente não

há contato com a água.49 Assim, nota-se que a oligomerização das proteínas está diretamente

relacionada a exposição das cadeias hidrofóbicas das mesmas durante o processo de agregação,

como será detalhado no tópico seguinte.

1.3 Agregação e oligomerização proteica

Algumas proteínas podem se associar fisicamente e formar agregados a partir de seu

estado nativo (enovelado) sem passar por um estado intermediário. Essas associações podem

ser simplesmente eletrostáticas ou eletrostáticas e hidrofóbicas, dependendo das condições

experimentais. Outras forças fracas, como as de van der Waals também podem iniciar o

Page 29: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

28

processo de associação, sendo conhecido que a auto-associação proteica está relacionada

principalmente a estabilidade conformacional.50

A agregação proteica pode ocorrer por cinco mecanismos diferentes: o primeiro deles

corresponde a associação reversível do monômero nativo, sendo que a tendência à agregação é

intrínseca a forma nativa da proteína, uma vez que a superfície do monômero é auto-

complementar, promovendo a auto-associação de forma reversível para pequenos oligômeros.

O segundo corresponde a agregação a partir da alteração conformacional do monômero, sendo

o primeiro passo, a mudança conformacional do estado não-nativo. Nesse caso, a agregação é

promovida pelo estresse, como o aquecimento ou algo que inicie a mudança de conformação.

O terceiro mecanismo corresponde a agregação do produto modificado quimicamente, podendo

ser considerado uma variação do mecanismo anterior, onde a alteração na conformação proteica

que precede a agregação é causada pela diferença na estrutura covalente. O quarto mecanismo

envolve a agregação controlada pela nucleação,51 enquanto que o quinto corresponde a

agregação induzida pela superfície e nesse caso, ela tem início com a ligação do monômero

nativo a uma superfície. Por exemplo, para uma interface ar-líquido a ligação provavelmente é

guiada por interações hidrofóbicas, mas quando interações eletrostáticas são favoráveis, elas

também podem estar envolvidas.52

A agregação proteica pode ser induzida por diferentes fatores, os quais incluem a

temperatura, a concentração proteica, o pH e a força iônica. Dentre esses parâmetros, o pH da

solução é um muito importante, uma vez que ele determina a forma dominante dos aglomerados

por afetar o tipo e a densidade das cargas da superfície e ainda o grau de rompimento estrutural

da proteína.50; 53 Por influenciar o tipo e a distribuição das cargas na superfície da proteína, o

pH afeta também as interações de enovelamento intra e intermolecular proteína-proteína. Assim

o pH juntamente com a hidrofobicidade e a propensão a formação da estrutura secundária são

parâmetros chave na determinação da velocidade da agregação proteica. Em pH extremos, as

proteínas estão bastante carregadas e a densidade de carga na superfície pode aumentar

significativamente as interações repulsivas intra e intermoleculares, levando a pelo menos um

desenovelamento parcial. Dessa forma, as proteínas podem ou não se agregarem dependendo

da contribuição intermolecular da atração hidrofóbica e da repulsão eletrostática.50

Em alguns casos o monômero proteico apresenta uma alteração conformacional que leva

ao aumento das folhas-β ou a exposição de porções hidrofóbicas, o que confere ao monômero

uma maior propensão a agregação.54; 55 Pequenos e ordenados agregados apresentam maiores

proporções de resíduos hidrofóbicos em sua superfície, os quais normalmente estão enterrados

no interior da proteína enovelada56 e simulações têm previsto que a hidrofobicidade e a

Page 30: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

29

propensão à conversão de α-hélice em folhas-β contribuem de forma positiva para a taxa de

agregação.57 Além disso, os efeitos hidrofóbicos constituem um ponto crucial na promoção do

processo de agregação. As cadeias polipeptídicas sofrem um colapso hidrofóbico que minimiza

a acessibilidade do solvente a área superficial da proteína, criando conformações compactas.58

As proteínas oligomerizadas são formadas pela a associação de várias cadeias

polipeptídicas e ocorrem em abundância na natureza,59 sendo as interações hidrofóbicas

bastante importante na definição das interfaces homo-oligoméricas.60 Além disso, interfaces

oligoméricas apresentam uma complementariedade significativa em relação a forma geométrica

e eletrostática, o que dá origem a especificidade da interação.61; 62

1.4 Síntese dos oligômeros utilizando o ácido trifluorometanosulfônico

Os conceitos de ácido e base foram debatidos por muitos anos até que definições

precisas fossem desenvolvidas. Entre as primeiras definições, encontra-se a do químico sueco

Svante Arrhenius que em 1884 sugeriu que um ácido é um composto que contém hidrogênio e

reage com a água a fim de formar íons hidrogênio, enquanto que a base foi definida como um

composto que produz íons hidróxido em água. No entanto, essa definição apresenta uma

limitação, uma vez que considera apenas a água como solvente. Assim, em 1923 dois químicos

trabalhando de forma independente: Thomas Lowry, na Inglaterra, e Johannes Brønsted, na

Dinamarca, definiram ácidos e bases com um novo conceito. Nesse caso, os ácidos são

considerados como doadores de prótons, enquanto que bases são consideradas receptoras de

prótons.63 Assim, ácidos como o clorídrico, nítrico, sulfúrico e trifluorometanosulfônico

(TFMS) podem ser definidos como ácidos de Brønsted.64; 65

O TFMS (figura 8) é conhecido como o ácido orgânico monoprótico mais forte dentre

os existentes, sendo que ele e sua base conjugada apresentam alta resistência e estabilidade

térmica tanto na clivagem relativa a oxidação, quanto a redução.66 A natureza não-oxidante do

TFMS pode ser benéfica em relação a eliminação ou minimização de reações secundárias, além

de diminuir os riscos associados a ácidos oxidantes fortes.

A síntese do TFMS foi descrita pela primeira vez em 1954 por Haszeldine e Kidd.67 Na

ocasião obteve-se o TFMS pela oxidação do bis(trifluormetiltiol)mercúrio com peróxido de

hidrogênio. Esse ácido é usado em diversos tipos de reações, dentre elas estão: (i) a formação

de sais, na qual o TFMS reage de forma exotérmica com hidróxidos de metais ou de carbonatos

metálicos; (ii) formação de ésteres e, nesse caso, a reação exotérmica de álcoois com o TFMS

produz ésteres, podendo também formar éteres e olefinas, o que limita a utilidade desse tipo de

Page 31: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

30

reação; (iii) formação de anidridos e halogenetos ácidos; (iv) reações de Friedel-Crafts, nas

quais são formados anidridos de ácido carboxílico trifluormetanosulfônico após a adição de

cloreto de acilo ou de anidrido acético ao TFMS. Para condensações Friedel-Crafts de cloretos

de sulfonilo aromáticos com compostos aromáticos, o TFMS é usado como catalisador.66 Além

dessas reações, o TFMS tem sido utilizado para a remoção de carboidratos de glicoproteínas

mantendo o esqueleto da proteína intacto.68

Figura 8 – Representação estrutural do ácido trifluorometanosulfônico (TFMS).

Fonte: Autoria própria.

Como citado anteriormente, a deglicosilação mediada pelo TFMS tem como vantagem

a remoção de cadeias de carboidratos das glicoproteínas sem alteração da composição proteica.

O TFMS permite a deglicosilação de glicoproteínas com estrutura desconhecida, sendo que

ligações amida são estáveis em relação a ele e a base do procedimento está relacionada à

estabilidade das ligações glicosídicas, quando comparada as ligações peptídicas.69

Esse ácido é descrito como um dos melhores reagentes para a deglicosilação química de

diferentes proteínas, como a fetuína e a gonadotropina coriônica humana68 e também a HRP70,

dentre outras. Sendo mostrada a retenção da estrutura monomérica dessas proteínas e ainda a

retenção da atividade catalítica da HRP. Dessa forma, os resultados citados demonstram que

apesar de ser um ácido forte, o TFMS reage com as proteínas sem desnaturá-las, o que permite

sua utilização em outros tipos de reação, como em procedimentos de oligomerização proteica.

As proteínas oligomerizadas são interessantes devido ao fato delas poderem ser

reguladas alostericamente, introduzindo um nível adicional de controle, além de serem mais

resistentes a degradação e a desnaturação.60 A oligomerização das proteínas permite ainda a

formação de estruturas grandes sem a modificação do genoma, fornecendo estabilidade,

enquanto que a reduzida área do monômero em um complexo pode oferecer proteção contra a

desnaturação.43 Normalmente o centro ativo de uma proteína oligomerizada está localizado na

interface entre as subunidades, permitindo a ocorrência de movimentos sutis entre elas, o que

pode ser usado a favor da catálise ou dos mecanismos de regulação, além de melhorar a

Page 32: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

31

eficiência e a especificidade.46 Uma outra vantagem da utilização de proteínas oligomerizadas

é a diminuição da área exposta na superfície da proteína, reduzindo o número de íons

necessários para neutralizar as cargas expostas e ainda a quantidade de moléculas de água

necessárias para hidratar a superfície proteica.46

Ressalta-se que na oligomerização proteica, assim como em outras reações envolvendo

proteínas, o pH é conhecido como um parâmetro chave, uma vez que ele atua na distribuição

de carga ao longo da superfície proteica, podendo afetar tanto seu enovelamento, quanto as

interações proteína-proteína.57 Nesse caso, a agregação irá depender de dois fatores: a atração

hidrofóbica e a repulsão eletrostática.50; 57 A literatura tem descrito que pequenos e ordenados

agregados apresentam altas proporções de resíduos hidrofóbicos expostos em suas superfícies,

o que não ocorre com as proteínas em seu estado nativo, já que esses resíduos costumam ser

encontrados no interior da estrutura proteica.56 Além disso, tem sido descrito que essa

hidrofobicidade e a propensão a conversão de estruturas α-hélice em folhas-β contribuem

positivamente na taxa de formação dos agregados.57

Assim, aliando-se o fato de que o pH é um parâmetro importante na formação dos

oligômeros e que o TFMS é um ácido forte, capaz de reduzir drasticamente o pH do meio

reacional sem, no entanto, promover a desnaturação da enzima, pressupõe-se que ele possa ser

utilizado para promover a oligomerização da glicose oxidase. Nesse contexto, esse trabalho

demonstra como pode ser obtida a glicose oxidase oligomerizada (Ol-GOx) a partir da forma

nativa da proteína (GOx) utilizando ácidos de Brønsted para promover a agregação proteica.

Page 33: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

32

2 OBJETIVO

Esta tese de doutorado tem como objetivo apresentar um método para a modificação

estrutural da enzima glicose oxidase visando melhorar a interação entre a enzima e a superfície

de eletrodos de fibras flexíveis de carbono. É de interesse a produção de um biocatalisador mais

eficiente tanto na obtenção da transferência direta de elétrons entre o cofator enzimático e a

superfície do eletrodo, quanto na bioeletrocatálise da glicose. Como modificação estrutural foi

escolhida a oligomerização da glicose oxidase utilizando diferentes ácidos de Brønsted, dentre

eles, o ácido trifluorometanosulfônico. Após essa obtenção, utilizaram-se técnicas

espectroscópicas e microscópicas a fim de comparar as estruturas das enzimas nativa e

oligomerizada. Além disso, técnicas eletroquímicas foram utilizadas para estudar tanto a etapa

não-catalítica, quanto a etapa catalítica da reação envolvendo a glicose oxidase. Ou seja, nosso

interesse é analisar se é possível a obtenção de uma enzima com caráter mais hidrofóbico a fim

de melhorar sua interação com a superfície de eletrodos de carbono, permitindo o

desenvolvimento de bioeletrodos mais eficientes.

Page 34: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

33

3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O procedimento experimental está dividido em sete partes. A figura 9 contém o

fluxograma que resume em quais etapas esse estudo está dividido e quais as técnicas utilizadas

em cada etapa.

Figura 9 – Fluxograma descrevendo as etapas desse estudo e as técnicas utilizadas em cada uma.

Page 35: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

34

Primeiramente são descritos os materiais e reagentes utilizados ao longo do trabalho.

Em seguida, é descrita a rota química para a oligomerização utilizando o TFMS (tópico 3.2). O

tópico 3.3 descreve as técnicas utilizadas para a caracterização estrutural da enzima antes e após

a oligomerização. Após isso, o tópico 3.4 descreve a metodologia utilizada para o estudo da

cinética enzimática em solução. Por fim, os tópicos 3.5 a 3.8 descrevem a preparação dos

eletrodos, o tratamento químico da superfície dos mesmos e da imobilização enzimática da GOx

e da Ol-GOx, além das condições e os parâmetros utilizando nas técnicas eletroquímicas

empregadas e na modelagem cinética para o cálculo da constante heterogênea de transferência

de carga.

3.1 Materiais e reagentes

A glicose oxidase (GOx), proveniente da espécie Aspergillus niger, foi obtida da Sigma-

Aldrich. Os reagentes: ácido trifluorometanosulfônico 99%, 2,2’-azino-bis-(ácido 3-

etilbenzotiazolina-6-sulfônico) sal diamônio (ABTS) 98%, peroxidase de raíz forte (HRP),

náfion 5%, ácido clorídrico 37%, ácido nítrico 65%, ácido sulfúrico 95-99%, 2-mercaptoetanol

e ácido cítrico foram obtidos da Sigma-Aldrich e utilizados sem prévia purificação. Os sais

fosfato de sódio mono e bibásico utilizados na preparação do tampão fosfato de sódio,

permanganato de potássio P.A. e D-glicose anidra P.A. foram adquiridos da Synth e o KBr

espectroscópico foi obtido da Vetec. A membrana de celulose para diálise com MWCO de 14

kDa foi adquirida da Sigma-Aldrich. Para os experimentos de eletroforese SDS-PAGE foram

utilizados os géis mini-PROTEAN TGX, tampão de amostra Laemmli, solução tampão tris-

glicina-SDS e o corante de proteínas azul de Coomassie G-250, os quais foram adquiridos da

Bio-Rad. O padrão de massas moleculares (60 a 250 kDa) utilizado na eletroforese SDS-PAGE

foi adquirido da Thermoscientific. Todas as soluções foram preparadas com água deionizada e

as vidrarias foram previamente limpas e secas. Para o controle da temperatura durante os

experimentos, utilizou-se um banho termostático de alta resolução proveniente da GE

Healthcare Life Sciences (MultiTemp IV Thermostatic Circulator). As fibras flexíveis de

carbono utilizadas como eletrodos de trabalho nos experimentos eletroquímicos foram extraídas

de um tecido de carbono (CCS 200) e nesse caso, elas são obtidas a partir do precursor

poliacrilonitrila (PAN).71

Page 36: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

35

3.2 Oligomerização da glicose oxidase nativa

A GOx nativa foi incubada na presença de TFMS pré-resfriado (4 ºC) durante 30

minutos. Para isso, 2,0 mL de uma solução de GOx (3,0 mg mL-1 previamente preparada em

tampão fosfato de sódio, 0,10 mol L-1 e pH 7,5) foi misturada a 140 μL de TFMS, sendo a

temperatura da reação mantida a 20 ºC. Após o tempo de reação, a mistura contendo a Ol-GOx

foi colocada em uma membrana de diálise (com MWCO de 14 kDa) a fim de remover o ácido

residual e de purificar a amostra. Dois procedimentos de diálises foram realizados. No primeiro,

a membrana contendo a mistura com a Ol-GOx foi colocada em um béquer com 40 mL de

tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5) e o sistema foi agitado durante 3h a 25 ºC. Na

segunda diálise, a membrana foi trocada para outro béquer contendo 40 mL de tampão fosfato

de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5) e foi mantida a 4 ºC durante outras 3 horas. Após as diálises, a

Ol-GOx foi removida da membrana de diálise e armazenada a 4 ºC até que fosse utilizada.

Para os estudos relativos a influência dos diferentes ácidos de Brønsted na síntese dos

oligômeros de GOx, o mesmo procedimento descrito acima foi adotado, no entanto, a GOx

nativa foi incubada separadamente na presença de 140 μL de HCl, HNO3 e H2SO4, todos na

concentração de 11,2 mol L-1.

3.3 Caracterização

A fim de comparar as estruturas da GOx nativa e da Ol-GOx, as seguintes técnicas foram

utilizadas: espectroscopia eletrônica na região do UV-Vis, dicroísmo circular, espectroscopia

de FTIR, eletroforese SDS-PAGE, espectroscopia de massas MALDI-TOF, espalhamento

dinâmico de luz, microsespectroscopia FTIR e microscopia eletrônica de transmissão como

serão descritos nos tópicos seguintes.

3.3.1 Espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível

A espectroscopia eletrônica na região do ultravioleta e visível (UV-Vis) corresponde ao

estudo das transições entre níveis de energia eletrônica que resultam na absorção de radiação

eletromagnética nessa região do espectro. Essa técnica mede a transmitância (T) ou a

absorbância (A) de soluções ou suspensões coloidais contidas em cubetas, as quais seguem um

caminho óptico b (cm). Assim, a concentração (c) de um analito absorvente se relaciona com a

absorbância pela equação de Lambert-Beer (equação 1).

Page 37: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

36

𝐴 = 𝜀𝑏𝑐 (1)

Em que 𝜀 corresponde a absortividade do analito. Um espectro de absorção é obtido

quando as moléculas interagem com a radiação, provocando a excitação dos elétrons a níveis

mais altos de energia. Essa transição pode ocorrer tanto em comprimentos de onda na região do

visível, quanto do ultravioleta, fazendo com que quantidades diferentes de energia sejam

absorvidas dependendo dos níveis que os elétrons podem atingir. Assim, o resultado obtido é

representado por uma banda de absorção.72

Dessa forma, utilizou-se a espectroscopia eletrônica na região do UV-Vis para

monitorar as bandas características do FAD durante a formação dos oligômeros de GOx e

também para acompanhar a formação dos oligômeros, uma vez que agregados proteicos tendem

a apresentar maior turbidez e, consequentemente, um espalhamento no espectro obtido. Para

tanto, os experimentos foram realizados utilizando um espectrofotômetro Jasco V-760 no

intervalo de 200 a 600 nm em uma cubeta de quartzo com caminho óptico de 1,0 cm.

3.3.2 Dicroísmo circular

O dicroísmo circular (CD) é uma técnica espectroscópica usada para elucidar a

quiralidade dos compostos. Essa técnica corresponde a uma variação da espectroscopia de

absorção, embora utilize a diferença entre a absorção da luz circularmente polarizada para a

direita e para a esquerda na análise das amostras.73 Em relação ao estudo de macromoléculas

biológicas, o dicroísmo circular é utilizado na identificação de grupamentos amida, de porções

α-hélice e folhas-β presentes nessas moléculas,74; 75 ou seja, ele permite a identificação da

estrutura secundária de moléculas como proteínas, permitindo a análise de alterações

conformacionais na estrutura proteica.

Assim, os espectros de dicroísmo circular foram obtidos em um espectropolarímetro

Jasco J-815, a partir de uma média de 30 acumulações. Os espectros nas regiões de UV próximo

(300-250 nm) e distante (250-200 nm) foram obtidos em cubetas com 1,0 cm de caminho

óptico. Para analisar a estabilidade térmica da GOx e da Ol-GOx, variou-se a temperatura de

20 ºC a 90 ºC, sendo que os dados obtidos correspondem a uma média de 10 acumulações.

Page 38: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

37

3.3.3 Espectroscopia vibracional na região do infravermelho

A radiação de infravermelho consiste em fótons com energia de valor em torno da

diferença de energia entre os níveis vibracionais das moléculas, ou seja, a absorção desse tipo

de radiação provoca aumento na amplitude das vibrações moleculares, as quais são definidas

como movimentos periódicos que envolvem mudanças de posição relativa entre os átomos de

uma mesma molécula.76 Assim, a espectroscopia vibracional na região do infravermelho com

transformada de Fourier (FTIR) é utilizada para obter informações a respeito de mudanças nos

modos de vibração ou modos de rotação das moléculas. Diferentemente da espectroscopia na

região do UV-Vis, com energia associada às transições eletrônicas, o FTIR utiliza uma radiação

de menor energia para que transições vibracionais sejam induzidas.76 Isso ocorre devido ao

grande número de estados vibracionais associados aos átomos presentes em uma molécula, o

que faz com que diferentes moléculas podem ser caracterizadas a partir de frequências de

vibração características.

Dessa forma, as medidas de FTIR foram realizadas no modo transmissão na região de

4000 a 600 cm-1 utilizando o espectrômetro de FTIR Bruker Vertex 70v com o detector HgCdTe

– MCT. A resolução espectral escolhida foi 4 cm-1 e 32 acumulações foram obtidas para cada

espectro. As pastilhas foram preparadas utilizando 1,0 mg de enzima (GOx ou Ol-GOx)

liofilizada e 99 mg de KBr.

Para a análise da estrutura secundária de ambas as enzimas utilizou-se a seguinte

metodologia: a região relativa a amida I (entre 1600 e 1700 cm-1) foi selecionada e a linha de

base foi subtraída de cada espectro. Em seguida, fez-se a segunda derivada de cada gráfico e os

picos presentes foram posteriormente simulados em funções Gaussianas no espectro original.

Como a área de cada curva Gaussiana é conhecida, é possível calcular a porcentagem de cada

tipo de estrutura secundária presente nas enzimas, sendo que a atribuição das bandas é feita

com base no que está descrito na literatura.77; 78

3.3.4 Eletroforese SDS-PAGE

A eletroforese é uma técnica simples, rápida e bastante sensível para o estudo das

propriedades das proteínas, sendo a separação das mesmas baseada na migração de moléculas

carregadas em uma matriz onde o campo elétrico está sendo aplicado.79 Existem diferentes

métodos eletroforéticos que utilizam o gel de poliacrilamida, no entanto, o mais utilizado é a

SDS-PAGE (Sodium dodecil sulfate-poliacrilamide gel electrophoresis) descontínua. Nesse

Page 39: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

38

tipo de sistema, a mistura de proteínas é desnaturada pelo aquecimento na presença de excesso

de SDS e um reagente tiol, como o mercaptoetanol. Sob essas condições, as proteínas são

dissociadas em suas unidades individuais de polipeptídeos e se ligam ao SDS em uma razão

constante de massa (1,4 gramas de SDS por grama de proteína) formando complexos com

densidade de carga idêntica. Assim, nessa técnica as proteínas são separadas apenas pela

diferença em sua massa molecular.80; 81

Dessa forma, a eletroforese SDS-PAGE pode ser utilizada para estimar o tamanho da

proteína e sua pureza. Para tanto, primeiramente preparou-se a cuba de eletroforese: após o gel

mini-PROTEAN TGX ser colocado no suporte para a corrida, preencheu-se as câmaras interna

e externa com o tampão de corrida Tris-glicina-SDS diluído na proporção 1:10 com água

deionizada. Em seguida, prepararam-se as amostras da seguinte maneira: 5 μL de amostra, 4,75

μL do tampão de amostra Laemmli e 0,25 μL de 2-mercaptoetanol. As misturas reacionais

foram aquecidas a 70 ºC durante 10 minutos e foram adicionadas aos poços do gel de

eletroforese. Aplicou-se 100 V e a corrida se procedeu até que o corante chegasse ao limite

inferior do gel. Ao final da corrida, o gel foi retirado da cuba e removido do suporte por

flutuação na água. Lavou-se o gel três vezes, durante cinco minutos cada, com água deionizada

e após isso, prosseguiu-se com a coloração utilizando 50 mL do corante Bio-Safe azul de

Coomassie G-250 durante uma hora sob agitação. Após esse tempo, lavou-se o gel com água

deionizada por aproximadamente 30 minutos e este foi armazenado em água.

3.3.5 MALDI-TOF

A espectrometria de massas utilizando a técnica MALDI (Matrix-assisted Laser

Desorption/Ionization) promove a vaporização e ionização não-destrutiva tanto de

biomoléculas grandes, quanto pequenas. Nesse tipo de análise, a amostra é primeiramente co-

cristalizada em um grande excesso molar do componente da matriz, geralmente composta por

um ácido orgânico fraco que absorve radiação na região do ultravioleta. Após isso, a radiação

laser dessa mistura analito-matriz resultará na vaporização da matriz que carregará o analito

junto com ela.82 Dentre os tipos de analisadores de massa existentes, o TOF (time of flight) é o

mais simples deles, sendo a massa molecular da amostra determinada a partir do tempo de voo

do íon.

Dessa forma, as análises de espectrometria de massas utilizando a técnica MALDI-TOF

têm como objetivo comparar as massas moleculares da GOx nativa e do oligômero formado

após a reação com o TFMS. As análises foram realizadas na Central Analítica do IQ-USP no

Page 40: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

39

modo de aquisição MS utilizando o equipamento UltrafleXtreme MALDI-TOF/TOF. Para a

GOx nativa, a matriz utilizada foi o ácido sinapínico (AS), enquanto que para a Ol-GOx foi o

α-ciano-4-hidroxicinâmico (HCCA).

3.3.6 Espalhamento dinâmico de luz

O espalhamento dinâmico de luz (DLS) tem sido utilizado para a determinação do raio

hidrodinâmico de diversos tipos de partículas. Para tanto, o tamanho da partícula é determinado

pelo movimento Browniano da mesma em uma amostra, sendo este definido como um

movimento randômico das partículas em um líquido devido ao bombardeamento pelas

moléculas vizinhas à partícula.83 Ressalta-se que as partículas em um líquido se movem de

forma randômica e a velocidade de seu movimento é utilizada para determinar o tamanho da

partícula.

Assim, as medidas de DLS foram realizadas em um Zetasizer Nano Series Malvern, a

25 ºC. Primeiramente as amostras foram filtradas (utilizando membranas com poros da ordem

de 0,2 μm) com o intuito de remover qualquer impureza que pudesse comprometer as medidas.

As soluções foram diluídas para 0,5 mg mL-1 em tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH

7,5).

3.3.7 Microespectroscopia-FTIR

As imagens microscópicas foram obtidas no microscópio Hyperion 3000, o qual está

acoplado ao espectrômetro de FTIR Bruker Vertex 70v. Esse microscópio é equipado com um

detector FPA (Focal Plane Array), o qual permite a obtenção de espectros de 4096 diferentes

regiões separadas 2,7 μm entre si. Com esses espectros resolvidos no espaço é possível a

construção de imagens relativas à intensidade de modos vibracionais característicos da amostra.

Os mapas químicos foram gerados considerando a intensidade da banda de amida I

distribuída ao longo das amostras de GOx nativa e Ol-GOx. As amostras foram preparadas

gotejando-se 1 μL da solução aquosa de cada enzima (3 mg mL-1) em um substrato de fluoreto

de cálcio e em seguida foram secas em temperatura ambiente durante 12 horas e analisadas no

modo de transmissão.

Page 41: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

40

3.3.8 Microscopia eletrônica de transmissão

As imagens de microscopia eletrônica de transmissão foram obtidas no equipamento

JEOL JEM2100 LaB6 – 200 kV com baixo tempo de exposição das amostras a fim de analisar

o tamanho e a morfologia característica da GOx antes e após o tratamento com o TFMS. As

soluções de enzima foram dialisadas em água deionizada para remover qualquer resíduo

relativo ao tampão fosfato de sódio, e após isso, gotejou-se as amostras de GOx e Ol-GOx nas

grades para microscopia e estas foram secas durante 12 horas.

3.4 Cinética enzimática

A cinética enzimática se refere a análise quantitativa de todos os fatores determinantes

para o potencial catalítico da enzima.84 Estudos sobre a cinética enzimática são importantes por

possibilitarem a determinação da afinidade enzimática com o substrato e sua eficiência

catalítica máxima.

Assim, a atividade catalítica da GOx e da Ol-GOx foi determinada de acordo com

protocolos já descritos na literatura.85; 86 Em resumo, 0,5 mL de ABTS (16 mmol L-1), 0,5 mL

de HRP (1,9 U mL-1) em tampão citrato-fosfato (0,10 mol L-1; pH 5,2) e 0,5 mL de glicose

(0,09 mol L-1) foram adicionados em um tubo de reação. A mistura reacional foi borbulhada

com oxigênio durante 60 segundos e após isso, 50 μL de GOx (3,0 mg mL-1) e Ol-GOx (3,0 mg

mL-1) foram adicionados em diferentes tubos de reação. Os frascos foram incubados por 30

minutos a 30 ºC e a reação foi parada com 0,10 mL de HCl (4,0 mol L-1). O produto formado

ao final da reação é o ABTS+, o qual é detectado por espetroscopia na região do visível, com

um máximo de absorbância em 420 nm.

3.5 Eletroquímica: preparação dos eletrodos modificados

Para as medidas eletroquímicas, utilizaram-se as fibras flexíveis de carbono (FFC) como

eletrodo de trabalho. Antes do processo de imobilização enzimática, as fibras foram submetidas

a um tratamento químico, como ilustrado na figura 10. Adicionaram-se as FFC, retiradas de um

tecido de carbono (CCS 200), em uma mistura de H2SO4/KMnO4 (120 mL) preparada pela

adição de 464 mg de KMnO4 em H2SO4 1,0 mol L-1. As FFC foram mantidas em banho

ultrassônico por 3 horas e após isso elas foram lavadas com HCl 37% para remover o MnO2

Page 42: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

41

formado. Por fim, lavaram-se as FFC com água deionizada até que o pH da água de lavagem

fosse próximo do neutro.37

Figura 10 – Ilustração das etapas do tratamento químico ao qual as FFC são submetidas antes de serem

utilizadas como eletrodos de trabalho nos experimentos eletroquímicos.

Fonte: Adaptação de Pereira, A. R. (2017) a partir de MARTINS, M. V. A., 2014, p. 17349.

Os eletrodos modificados com GOx e Ol-GOx foram preparados pela adsorção física

das enzimas sendo as FFC colocadas em uma solução de enzima durante 36 horas e a 4 ºC.

Após isso, 20 μL de náfion® 2,5% foram adicionados ao bioeletrodo, o qual foi seco a vácuo

por 10 minutos.

3.6 Eletroquímica: voltametria cíclica e cronoamperometria

Os experimentos eletroquímicos foram realizados utilizando um sistema de três

eletrodos composto pelos bioeletrodos FFC-GOx e FFC-Ol-GOx como eletrodos de trabalho,

platina como contra-eletrodo e Ag/AgCl saturado como eletrodo de referência. Como eletrólito,

utilizaram-se 20 mL de tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). A temperatura do

eletrólito foi controlada utilizando um banho termostático (GE-MultiTemp Thermostatic

Circulator) e os experimentos foram realizados utilizando um potenciostato/galvanostato

μAutolab tipo III.

Para o estudo da TDE, borbulhou-se argônio no eletrólito por 30 minutos antes dos

voltamogramas serem obtidos, sendo todos eles obtidos sob atmosfera de argônio. Já para os

testes bioeletrocatalíticos, utilizou-se uma solução de glicose 0,90 mol L-1 preparada em tampão

fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5), a qual foi mantida por 12 horas na geladeira antes dos

experimentos para que ocorresse a isomerização da glicose. Nesse caso, borbulhou-se oxigênio

Page 43: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

42

no eletrólito por 10 minutos antes das medidas, sendo também mantida a atmosfera de oxigênio

durante os experimentos.

3.7 Modelagem cinética: eletroquímica da etapa não-catalítica

A teoria de Marcus aplicada a sistemas heterogêneos87; 88 foi utilizada para interpretar a

cinética de transferência de elétrons dos bioeletrodos. Calcularam-se as constantes de

velocidade eletroquímica em função do sobrepotencial com base na relação de Chidsey

(equação 2),89 obtida a partir da equação padrão de Marcus29 em combinação com a distribuição

de Fermi-Dirac.

𝑘𝑟𝑒𝑑/𝑜𝑥𝑖 =𝑘𝑚𝑎𝑥

√4πλ/RT∫

exp[−[(λ ± 𝐹(𝐸 − 𝐸0′))/𝑅𝑇 − 𝑥]2𝑅𝑇/4λ]

exp(𝑥) + 1𝑑𝑥

−∞

(2)

Em que kmax corresponde a constante de velocidade máxima, λ é a energia de

reorganização, R é a constante ideal dos gases, T é a temperatura, (E – E0’) é o sobrepotencial,

considerando que em simulações voltamétricas, a função integral da equação 2 pode ser

numericamente aproximada pelo somatório sobre uma faixa suficientemente ampla de x. As

constantes heterogêneas de transferência de carga da GOx e da Ol-GOx e a energia de

reorganização dos sistemas foram encontradas com base na equação 2 e com o algoritmo

desenvolvido por Luz90 utilizando o software Matlab®.

3.8 Cinética: eletroquímica da etapa catalítica

O caso mais relevante de catálise heterogênea é representado pelas enzimas

imobilizadas, onde a reação ocorre na superfície ou dentro da molécula do biocatalisador.84 No

entanto, a imobilização enzimática pode produzir tanto efeitos conformacionais, quanto micro-

ambientais, afetando a cinética da reação catalisada, fazendo com que sejam obtidos parâmetros

aparentes em relação a cinética enzimática. Dessa forma, a partir da observação do perfil de

Michaelis-Menten, utilizaram-se as metodologias de Lineweaver-Burk e Hanes-Woolf a fim de

se determinar o KMapp para a GOx e a Ol-GOx imobilizadas nas FFC. Para Lineweaver-Burk, a

equação 3 foi utilizada, sendo ela correspondente a versão eletroquímica da equação de

Lineweaver-Burk.91; 92

Page 44: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

43

1

𝐼𝑠𝑠=

1

𝐼𝑚𝑎𝑥+

𝐾𝑀𝑎𝑝𝑝

𝐼𝑚𝑎𝑥

1

𝑐 (3)

Em que Iss corresponde à corrente de estado estacionário após a adição do substrato, Imax

corresponde a corrente máxima obtida sob condições de saturação do substrato e c corresponde

a concentração do substrato.

Para a metodologia de Hanes-Woolf,93 a equação 4 pode ser usada para estimar os

mesmos parâmetros, considerando que jmax é proporcional a vmax.

[𝑆]

𝑉=

1

𝑉𝑚𝑎𝑥+

𝐾𝑀

𝑉𝑚𝑎𝑥 (4)

Em que [S] corresponde a concentração de substrato, V e Vmax correspondem a

velocidade e velocidade máxima da reação, respectivamente.

Page 45: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

44

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1 Obtenção dos oligômeros de GOx

A oligomerização da GOx foi realizada pela desestabilização da estrutura terciária da

proteína em um processo conhecido como agregação proteica. Para tanto, a GOx nativa foi

incubada na presença de um ácido de Brønsted, o TFMS, em pH 1,0 e a 4 ºC. Esse ácido foi

escolhido para a síntese dos oligômeros de Ol-GOx por ser um ácido que não degrada a

proteína,41 preservando ainda sua atividade catalítica, como discutido anteriormente. A fim de

estabelecer as condições ótimas para a ocorrência da reação, alguns parâmetros foram variados,

são eles: a quantidade de TFMS pré-resfriado adicionado a reação, o tempo de reação e a

temperatura da mesma. Analisou-se ainda se a eficiência da reação seria maior em fase sólida

ou em solução tamponada. Outros ácidos de Brønsted como o sulfúrico, nítrico e clorídrico

foram avaliados para a obtenção da Ol-GOx, no entanto, apesar de promoverem a agregação

proteica de maneira similar ao TFMS, como observado na figura 11a, a qual mostra a

distribuição de tamanhos obtido pela medida de espalhamento dinâmico de luz (DLS) para a

GOx nativa (linha vermelha) e para a GOx após as reações com TFMS (linha azul), H2SO4

(linha roxa), HCl (linha laranja) e HNO3 (linha verde), apresentaram uma redução significativa

na atividade enzimática (85-94%), podendo assim considerar que as enzimas obtidas a partir

das reações com HCl, H2SO4 e HNO3 são inativas (figura 11b).

Figura 11 – (a) Distribuição (por número) de tamanhos obtido pela medida de DLS para a GOx após o

tratamento com diferentes ácidos de Brønsted; (b) Comparação da atividade específica para a GOx após

o tratamento com os diferentes ácidos.

0 5 10 15 20 50 100 150 200 250 3000

2

4

6

8

10

12

Inte

nsi

dad

e (%

)

dh (nm)

GOx

GOx-TFMS

GOx-H2SO

4

GOx-HCl

GOx-HNO3

(a)

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

GO

x-H 2

SO 4

GO

x-H

NO 3

GO

x-H

Cl

GO

x-TFM

S

Ati

vid

ad

e e

specíf

ica (

mo

l m

in-1 m

g-1)

GO

x

(b)

Page 46: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

45

A formação de agregados proteicos, com consequente formação de oligômeros pode ser

alcançada a partir da alteração do ambiente no qual a proteína está inserida, uma vez que esse

processo é influenciado por fatores como baixas temperaturas, concentração de solutos,

formação de interfaces água-gelo, alterações no pH e ainda pela separação de fases.50 Assim, a

Ol-GOx pode ser obtida utilizando diferentes ácidos de Brønsted, como o TFMS, HCl, H2SO4

e HNO3, uma vez que a diminuição abrupta do pH do meio reacional, de 7,5 para 1,0, durante

o processo de incubação, expõe cadeias hidrofóbicas levando a aglomeração proteica com o

intuito de evitar a desnaturação.94; 95

Uma vez confirmado por DLS (figura 11a) que todos os ácidos utilizados promovem a

formação de aglomerados proteicos com um raio hidrodinâmico ao menos oito vezes maior do

que para a GOx nativa, propõe-se aqui estudar como a estrutura da enzima é modificada quando

cada ácido é utilizado. A figura 12a mostra o espectro de UV-Vis para a GOx nativa e para a

GOx obtida a partir da reação com os diferentes ácidos testados, onde pode ser observado que

a formação dos aglomerados não afetou de forma significativa o grupo prostético FAD, já que

as bandas características estão presentes no espectro.96 Além disso, é observado em 350 nm

(linha cinza), um aumento na turbidez para todas as soluções de enzima, outra confirmação da

formação dos aglomerados.

Figura 12 – (a) Espectros de UV-Vis e (b) Espectros de FTIR de uma solução de GOx (3,0 mg mL-1;

linha vermelha), GOx-TFMS (3,0 mg mL-1; linha azul), GOx-H2SO4 (3,0 mg mL-1; linha roxa), GOx-

HCl (3,0 mg mL-1; linha laranja) e GOx-HNO3 (3,0 mg mL-1; linha verde).

Para determinar a estrutura secundária dessas proteínas, utilizaram-se os espectros de

FTIR (figura 12b). Em princípio, quando analisados os espectros, não há uma diferença entre

eles quando comparados ao da GOx nativa. No entanto, quando analisada a região da amida I

300 400 500 600

0,0

0,7

1,4

2,1

2,8

3,5

to

tal =

ab

s +

es

p

Comprimento de onda / nm

GOx nativa

GOx-TFMS

GOx-HNO3

GOx-H2SO

4

GOx-HCl

(a)

5000 4000 3000 2000 1000

GOx-TFMS

Número de onda / cm-1

GOx

GOx-H2SO

4

GOx-HCl

GOx-HNO3

(b)

Page 47: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

46

(figura 13), diferenças significativas podem ser notadas para as enzimas obtidas após as reações

com HCl, H2SO4 e HNO3, sendo que as figuras 13a, 13b e 13c correspondem as bandas de

amida I das seguintes enzimas: GOx-H2SO4, GOx-HCl e GOx-HNO3. Ressalta-se que para

todos os casos estão presentes tanto o gráfico relativo ao pico da amida I, quanto a curva obtida

após o somatório das gaussianas internas, sendo que ambos estão sobrepostos, como observado

nas linhas tracejadas dos gráficos. Como descrito no gráfico de barras (figura 13d), para a

enzima obtida pela reação com o HNO3 há um aumento considerável na quantidade de folhas-

β, enquanto que aquela obtida pela reação com o HCl apresentou a maior quantidade de α-

hélice. No geral, quando utilizados o HCl, HNO3 e H2SO4 para a oligomerização, as enzimas

apresentaram alterações significativas em sua estrutura secundária, quando comparadas a Ol-

GOx obtida pela reação com o TFMS, a qual apresentou pequenas alterações nas porções de

cada tipo de estrutura em relação à enzima nativa. Sendo que isso era esperado, uma vez que o

TFMS é conhecido por ser um ácido forte que não influencia na porção proteica da estrutura.41

Figura 13 – Deconvolução das bandas de amida I para (a) GOx-H2SO4, (b) GOx-HCl and (c) GOx-

HNO3, obtidas utilizando a espectroscopia de FTIR; (d) Gráfico comparativo dos diferentes

componentes da estrutura secundária da GOx após a reação com os diferentes ácidos de Brønsted.

1700 1650 1600

Número de onda / cm-1

GOx-H2SO4(a)

1700 1650 1600

Número de onda / cm-1

GOx-HCl(b)

1700 1650 1600

Número de onda / cm-1

GOx-HNO3

(c)

0

10

20

30

40

50

60

70

randômicavoltas--hélice

Po

rcen

tag

em

(%

)

folha

GOx

GOx-TFMS

GOx-H2SO

4

GOx-HCl

GOx-HNO3

(d)

Page 48: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

47

Uma vez que nosso interesse é estudar a modificação da estrutura da proteína visando

melhorar a comunicação entre ela e a superfície do eletrodo, experimentos eletroquímicos

foram realizados para analisar a TDE após a oligomerização mesmo depois de terem ocorrido

alterações na estrutura secundária. A figura 14 mostra os voltamogramas cíclicos dos

bioeletrodos FFC-GOx (linha vermelha), FFC-GOx-TFMS (linha azul), FFC-GOx-HCl (linha

roxa), FFC-GOx-H2SO4 (linha laranja) e FFC-GOx-HNO3 (linha verde). Nota-se após a

subtração das correntes capacitivas que todos os oligômeros formados apresentam aumento na

corrente faradaica relativa a eletrooxidação do FAD-FADH2 quando comparado com a GOx

nativa. A maior densidade de corrente para a TDE foi obtida quando utilizado o bioeletrodo

contendo a GOx após a reação com HNO3, a qual contém a maior porcentagem de folhas-β em

sua estrutura. Essa diferença na densidade de corrente pode ser explicada pelas modificações

da estrutura secundária, uma vez que o centro ativo da enzima pode ter ficado mais exposto, de

forma que a distância entre ele e a superfície do eletrodo seja menor. Como observado na figura

14c, a qual mostra a densidade de corrente de pico catódico (em módulo) em função da

porcentagem de folhas-β presente na estrutura das enzimas, quanto maior essa quantidade,

maior a densidade de corrente. Sendo que o aumento na quantidade de folhas-β está relacionado

à exposição das cadeias hidrofóbicas42 e é sabido que quanto mais hidrofóbica for a enzima,

melhor será a interação com superfícies de carbono.

Figura 14 – (a) Voltamograma cíclicos dos bioeletrodos FFC-GOx (linha vermelha), FFC-GOx-TFMS

(linha azul), FFC-GOx-HCl (linha roxa), FFC-GOx-H2SO4 (linha laranja) e FFC-GOx-HNO3 (linha

verde); (b) voltamogramas cíclicos após a subtração da corrente capacitiva. Velocidade de varredura:

100 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1, pH 7,5). Temperatura: 25 ºC.

Atmosfera saturada com argônio; (c) Módulo da densidade de corrente de pico catódico, após a

subtração da corrente capacitiva, em função da quantidade de folhas-β presente na estrutura proteica.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(a)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-0,08

-0,04

0,00

0,04

0,08

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

GOx

GOx-TFMS

GOx-HCl

GOx-H2SO

4

GOx-HNO3

(b)

20 30 40 50 600,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

| j c|

/ m

A c

m-2

% de folhas-

GOx-HNO3

GOx-H2SO

4

GOx-TFMS

GOx-HCl

GOx nativa

(c)

Page 49: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

48

Para todos os bioeletrodos foi observado um aumento linear da densidade de corrente

com o aumento da velocidade de varredura, como mostrado na figura 15, sendo esse

comportamento indicativo de um processo eletroquímico governado pela transferência de carga

na interface enzima/eletrodo, o que permite inferir que o FAD continua ligado à estrutura

proteica.

Figura 15 – (a, d e g) Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos FFC-GOx-HCl, FFC-GOx-H2SO4 e

FFC-GOx-HNO3, respectivamente, em diferentes velocidades de varredura. Eletrólito suporte: tampão

fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC; (b, e e h) Dependência das densidades de

corrente de pico anódico (jpa) e catódico (jpc) com a velocidade de varredura; (c, f e i) Voltamogramas

cíclicos referentes à a, d e g, respectivamente, após a subtração das correntes capacitivas.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3-4,65

-3,10

-1,55

0,00

1,55

3,10

4,65

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

GOx-H2SO

4

(d)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-2,85

-1,90

-0,95

0,00

0,95

1,90

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

GOx-HCl

(a)

0 200 400 600

-2,7

-1,8

-0,9

0,0

0,9

1,8

2,7

jpc

j p /

mA

cm

-2

v / mV s-1

jpa

(b)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-0,24

-0,12

0,00

0,12

0,24

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

50 mV s-1

200 mV s-1

400 mV s-1

(c)

0 300 600 900-4,5

-3,0

-1,5

0,0

1,5

3,0

4,5

jpc

j p /

mA

cm

-2

v / mV s-1

jpa

(e)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-0,42

-0,21

0,00

0,21

0,42

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

50 mV s-1

350 mV s-1

650 mV s-1

1000 mV s-1

(f)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3-5,70

-3,80

-1,90

0,00

1,90

3,80

5,70

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

GOx-HNO3

(g)

0 300 600 900-4,5

-3,0

-1,5

0,0

1,5

3,0

4,5

jpc

j p /

mA

cm

-2

v / mV s-1

jpa

(h)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-0,52

-0,26

0,00

0,26

0,52

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

50 mV s-1

350 mV s-1

650 mV s-1

1000 mV s-1

(i)

Page 50: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

49

Assim, mesmo sabendo das limitações impostas quando utilizadas a metodologia de

Laviron, determinaram-se os valores de α e k0 para cada um dos bioeletrodos, a partir dos

gráficos mostrados no apêndice A. A tabela 1 mostra esses valores tanto para a GOx, quanto

para os oligômeros produzidos. Nota-se que há uma variação considerável para os valores de α

obtidos para cada enzima, lembrando que esse parâmetro está relacionado a simetria da barreira

de energia da reação redox. A enzima que mais se aproximou de α = 0,50 foi a Ol-GOx obtida

utilizando o TFMS, por outro lado, aquela com maior valor de k0 foi a obtida após a reação com

o HNO3.

Tabela 1 - Parâmetros α e k0 obtidos por Laviron para a GOx nativa e para a GOx após a reação com os

diferentes ácidos de Brønsted.

α k0

GOx 0,48 5,8 s-1

GOx-TFMS 0,51 7,9 s-1

GOx-HCl 0,56 6,2 s-1

GOx-H2SO4 0,57 6,7 s-1

GOx-HNO3 0,42 11,4 s-1

Uma vez obtida a TDE para todos os oligômeros, a atividade enzimática de cada uma

foi analisada, já que é de interesse obter maiores densidades de corrente tanto para a TDE,

quanto para a bioeletrocatálise. Assim, primeiramente realizaram-se os testes catalíticos, onde

foi observada uma redução significativa da atividade após a reação de oligomerização da GOx

nativa utilizando HCl (85%), H2SO4 (85%) e HNO3 (94%), como mostrado na figura 11b, ou

seja, as enzimas foram praticamente inativadas após a aglomeração, o que era esperado devido

as alterações na estrutura secundária. Assim, como a catálise enzimática foi afetada e os

oligômeros podem ser considerados inativos, os testes bioeletrocatalíticos não foram efetuados.

Portanto, de acordo com os resultados apresentados, conclui-se que os diferentes ácidos

de Brønsted utilizados promoveram a oligomerização da GOx, no entanto, foram obtidas

enzimas estruturalmente diferentes. A Ol-GOx obtida pela reação com o TFMS mantém

parcialmente sua atividade catalítica, enquanto que as demais, devido a alteração em suas

estruturas secundárias apresentaram maiores correntes para a TDE, no entanto, perderam sua

atividade catalítica.

Page 51: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

50

4.2 Caracterização da GOx nativa e da Ol-GOx

De acordo com os resultados apresentados no tópico 4.1, a reação da proteína com o

TFMS foi considerada eficiente para a síntese da Ol-GOx. Nesse caso, a proteína não é

desnaturada, o que resulta em uma unidade monomérica intacta, como observado nos

experimentos de eletroforese SDS-PAGE (figura 16), onde não há alteração na massa molecular

do monômero da enzima após a reação com o TFMS. Ressalta-se que a eletroforese SDS-PAGE

é comumente utilizada para estimar o tamanho e a pureza de proteínas, quantificar e monitorar

a integridade das mesmas, além de comparar a composição polipeptídica em diferentes

amostras.80 Além disso, a Ol-GOx, como será chamada a partir desse ponto a enzima obtida a

partir da reação com o TFMS, manteve suas propriedades catalíticas relativas a oxidação da

glicose.

Figura 16 – Eletroforese SDS-PAGE utilizando a coloração com o azul de Coomassie do (i) padrão de

massas moleculares (250 a 60 kDa), (ii) GOx e (iii) Ol-GOx.

A espectrometria de massas utilizando a técnica MALDI-TOF foi utilizada visando

determinar a massa molecular tanto da GOx nativa, quanto da Ol-GOx. Para tanto, ambos os

espectros deveriam ser obtidos na matriz de ácido sinapínico (SA), a qual é usada para análise

de proteínas e peptídeos de alta massa molecular. A figura 17 refere-se ao espectro de massas

da GOx nativa, onde são observados dois picos, os quais são relativos a essa enzima com m/z

= +1 (figura 17 – pico II) e m/z = +2 ( figura 17 – pico I), sendo este em aproximadamente 73

kDa, valor próximo ao descrito na literatura para a GOx.40 Propõe-se que quando submetida a

análise, a GOx é decomposta de sua forma dimérica, apresentando-se na forma de monômero,

o que justifica o valor encontrado. No entanto, para a Ol-GOx não foi possível obter o espectro

(i) (ii) (iii)

Page 52: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

51

de massas utilizando a mesma matriz, uma vez que a amostra não ionizou nessas condições.

Uma das razões para que essa ionização não tenha ocorrido é o tamanho da Ol-GOx, o que

permite inferir que uma enzima de grande massa molecular foi obtida após a reação com o

TFMS.

Figura 17 – MALDI-TOF de uma solução de GOx em matriz ácido sinapínico.

A figura 18 mostra os espectros de UV-Vis para a GOx e Ol-GOx e ainda a imagem de

ambas as soluções, onde pode ser observado um aumento na turbidez para a solução da Ol-

GOx, sugerindo a oligomerização da enzima após a reação com o TFMS, a qual é atribuída à

drástica diminuição no pH (pH 1,0) durante o processo de incubação, causando a aglomeração

da enzima. Nota-se que a reação de oligomerização não afeta o grupo prostético FAD e que a

absortividade molar (ε) se mantém, como será mostrado.

Figura 18 – (a) Espectros eletrônicos das soluções de GOx (3,0 mg mL-1; linha vermelha) e Ol-GOx

(3,0 mg mL-1; linha azul); (b) Imagens das soluções de (i) GOx e (ii) Ol-GOx.

73638.9

37334.9

0

100

200

300

400

500

Inte

ns. [a

.u.]

20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 160000 180000 200000m/z

300 400 500 600

0

1

2

3

to

tal =

ab

s +

esp

Comprimento de onda (nm)

(a) (b)

(i) (ii)

I II

Page 53: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

52

Os espectros de UV-Vis mostram três bandas de absorbância em 276, 382 e 453 nm

(figura 18a, linha vermelha), em que a banda de mais alta intensidade está relacionada a

presença das cadeias de aminoácidos aromáticos97; 98 e ao grupamento riboflavina presente no

grupo prostético,96 enquanto as outras duas bandas estão relacionadas aos grupamentos

semiquinonas em estado oxidado presentes no FAD.96 Para a Ol-GOx (figura 18a, linha azul),

observa-se a presença da mesma banda em 276 nm em relação ao que é observado para a GOx

nativa, o que permite inferir que o grupo prostético FAD continua ligado após a oligomerização

proteica. Além disso, os grupamentos semiquinonas mostram uma absorbância mais discreta

para a Ol-GOx devido ao aumento da linha de base, uma consequência do espalhamento de luz

causado pelo aumento da turbidez, como observado na figura 18b, onde a solução de 3,0 mg

mL-1 de Ol-GOx tem uma aparência mais opaca, “leitosa”, do que a GOx nativa.

É necessário considerar que a turbidez não pode ser usada como um parâmetro

quantitativo para monitorar a formação da Ol-GOx, uma vez que ela não permite identificar o

número absoluto de monômeros no mesmo oligômero. É importante lembrar que isso se deve

ao fato do espalhamento de luz depender tanto do tamanho, quanto do número de partículas.99

Por outro lado, esses dados podem fornecer um meio de confirmar o que é observado

visualmente: as soluções mais turvas aos olhos apresentam maior absorbância em 350 nm. De

fato, há uma diferença na transmitância dessas duas enzimas em 350 nm, uma vez que para a

GOx nativa esse valor corresponde a 80%, enquanto que para a Ol-GOx corresponde a 59%,

evidenciando o aumento na turbidez após a oligomerização. Esse aumento é associado à

formação dos oligômeros e está relacionado as alterações na hidrofobicidade da proteína, sendo

que as interações hidrofóbicas são importantes quando são tratadas interfaces homo-

oligoméricas, uma vez que a organização das moléculas de água ao redor dessas estruturas é

afetada.

A alteração na hidrofobicidade das enzimas pode ser observada na figura 19, que

corresponde a imagem de microscopia óptica da GOx (figura 19a e 19c) e da Ol-GOx (figura

19b e 19d) depositadas em um substrato hidrofóbico. Nesse caso, 1 μL de uma solução de cada

enzima (3,0 mg mL-1) foi gotejado em um substrato de fluoreto de cálcio e a amostra foi seca

em temperatura ambiente por 12 horas. A janela de fluoreto de cálcio foi escolhida como

substrato devido a seu caráter apolar, permitindo diferenciar o comportamento da GOx e da Ol-

GOx quando interagindo com um substrato desse tipo, evidenciando a diferença na

hidrofobicidade de cada enzima. Além disso, por ser transparente na região do infravermelho,

a utilização desse substrato permite também a análise de FTIR dessas enzimas, visando a

construção de um mapa químico em função da banda de amida I. Como esperado, a interação

Page 54: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

53

da GOx e da Ol-GOx com o substrato foi diferente, uma vez que a primeira se concentrou nas

bordas da gota, enquanto que a segunda se espalhou por toda a superfície do substrato. Isso se

deve ao fato da Ol-GOx ser mais hidrofóbica, uma vez que para a estabilização de sua estrutura

após a agregação proteica, sítios desse tipo são expostos ao longo da enzima.

Figura 19 – Imagens de microscopia óptica para a (a e c) GOx e (b e d) Ol-GOx; c e d correspondem a

região ampliada em relação as regiões marcadas em (a) e (b), respectivamente.

Em relação a absortividade molar, obtiveram-se os valores de ε para a GOx e para a Ol-

GOx. Utilizando as enzimas liofilizadas, prepararam-se soluções no intervalo de 0,05 a 1,0 mg

mL-1 para a construção da curva de calibração, a qual foi obtida em 276 nm para ambas as

enzimas (figura 20). No caso da Ol-GOx, uma segunda metodologia foi utilizada e o valor

obtido comparado com os demais, sendo a turbidez levada em consideração nesse segundo

método. Para isso, os espectros foram normalizados a fim de subtrair a luz espalhada,

garantindo que a absorbância em 276 nm correspondesse apenas a contribuição da luz

absorvida. Utilizando a Lei de Lamber-Beer100, ε pode ser obtido pela inclinação da curva de

(a) (b)

(c) (d)

Page 55: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

54

calibração. A figura 20 mostra as curvas de calibração obtidas tanto para a GOx nativa (figura

20a), quanto para a Ol-GOx, considerando a turbidez (figura 20b) e após seu desconto (figura

20c). Para a GOx, 𝜀 = 1,30 ± 0,03g−1Lcm−1, enquanto para Ol-GOx, 𝜀 = 1,32 ±

0,04g−1Lcm−1. Utilizando a metodologia que considera a turbidez da Ol-GOx, obteve-se 𝜀 =

1,21 ± 0,03g−1Lcm−1, ou seja, os valores obtidos para ambas as enzimas podem ser

considerados os mesmos. Além disso, esses resultados estão em concordância com o descrito

na literatura para a GOx proveniente da espécie Aspergillus niger.101

Figura 20 – Absorbância em 276 nm versus a concentração de enzima para (a) GOx, (b) Ol-GOx e (c)

Ol-GOx após a subtração da radiação espalhada.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Ab

sorb

ân

cia

em

27

6 n

m

CGOx

/ g L-1

y = 1,299x - 0,004

r2 = 0,998

(a)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

Ab

sorb

ânci

a em

27

6 n

m

COl-GOx

/ g L-1

y = 1,318x + 0,018

r2 = 0,995

(b)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Ab

sorb

ân

cia

em

27

6 n

m

COl-GOx

/ g L-1

y = 1,213x +0,022

r2 = 0,996

(c)

Os experimentos de DLS foram utilizados a fim de confirmar as alterações no tamanho

da GOx após a reação com o TFMS (figura 21a). Nesse caso, as medidas de DLS foram

Page 56: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

55

realizadas em pH 7,5 e a 25 ºC e mostraram um raio hidrodinâmico (hd) igual a 9 ± 1 nm para

a GOx nativa, valor este de acordo com a literatura,40 e 96 ± 15 nm para a Ol-GOx. Esse

aumento de 10 vezes no raio hidrodinâmico da enzima sugere que a Ol-GOx é composta em

média por 10 moléculas diméricas de GOx nativa, dados esses que foram confirmados pelas

imagens de microscopia eletrônica de transmissão (figuras 21b e 21c), as quais mostram os

diferentes tamanhos para a GOx e Ol-GOx.

Figura 21 – (a) Distribuição de tamanhos obtido pela medida de DLS para a GOx (linha vermelha) e

Ol-GOx (linha azul); Imagens de microscopia eletrônica de transmissão para a (b) GOx e (c) Ol-GOx.

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 100 200 300

dh (nm)

Inte

nsi

dad

e (

%)

Ol-GOx

GOx

(a)

Uma vez que o dicroísmo circular (CD) fornece informações sobre a estrutura

secundária das proteínas levando em consideração as ligações peptídicas como cromóforos, a

figura 22 mostra os espectros de CD para ambas as enzimas, onde é possível observar uma

banda em 220 nm, a qual é característica de estruturas α-hélice.102 Pela deconvolução do

espectro utilizando o software CDNN, esses resultados sugerem que não há alterações

significativas na estrutura secundária da proteína após a oligomerização, como mostrado na

(b) (c)

Page 57: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

56

tabela 2, a qual evidencia as porcentagens de cada tipo de estrutura secundária para a GOx e a

Ol-GOx.

Figura 22 – Espectros de dicroísmo circular de uma solução de GOx (linha vermelha) e Ol-GOx (linha

azul), ambas preparadas em tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5).

220 240 260

-6

-4

-2

0

[]

/ deg c

m-2

dm

ol-1

x 1

03

Comprimento de onda / nm

GOx

Ol-GOx

Tabela 2 – Deconvolução dos dados do espectro de CD para a GOx e Ol-GOx.

GOx Ol-GOx

folhas-𝛃 31±1 % 30±1 %

𝛂-hélice 16±2 % 17±1 %

voltas-𝛃 21±1% 21±1%

randômica 48±2 % 48±2 %

Além da determinação da estrutura secundária, o CD pode ser utilizado para o estudo

do desenovelamento e da desnaturação proteica, uma vez que essa técnica permite o

acompanhamento dos efeitos causados por mutações no enovelamento e na estabilidade das

proteínas.103 Esse estudo é possível devido as alterações na elipticidade serem diretamente

proporcionais a alteração das formas nativas e desnaturada. Além disso, os parâmetros obtidos

nesse tipo de experimento permitem a comparação da estabilidade tanto para diferentes

proteínas ou mutantes de uma mesma proteína, quanto para uma única proteína em relação ao

efeito das modificações no ambiente no qual ela está inserida.104

Dessa forma, o CD também pode ser usado para estimar a temperatura de desnaturação

(TM) ou ainda se ocorre alteração na taxa das transições quando os oligômeros estão presentes.

A termodinâmica do desenovelamento baseado nas curvas de elipticidade em função da

Page 58: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

57

temperatura, no intervalo de 20 a 90 ºC, mostra uma diminuição na elipticidade molar quando

a temperatura aumenta, como pode ser observado na figura 23, fato este que é devido a

desnaturação térmica da proteína.105; 106 A figura 23a mostra a comparação dos espectros de CD

para a GOx nativa a 25 ºC e a 90 ºC, onde é possível observar uma diminuição da elipticidade

molar após o aumento da temperatura e também um deslocamento de 8 nm da banda centrada

em 220 nm. Já a figura 23b corresponde a mesma comparação citada anteriormente, porém,

para a Ol-GOx. Nesse caso também foi observado a diminuição da elipticidade molar após o

aumento da temperatura, no entanto, o deslocamento da banda centrada em 220 nm foi de

apenas 3 nm, sendo que este deslocamento menor do que para a GOx nativa pode ser atribuído

a associação proteína-proteína que ocorre durante a oligomerização. Analisando a figura 23c, é

possível concluir que a TM para a GOx corresponde a 65 ºC e é maior do que a obtida para a

Ol-GOx, que é 59 ºC. Ressalta-se que o perfil obtido para ambas as enzimas está de acordo com

o que é proposto na literatura, onde primeiramente tem-se uma pequena variação na elipticidade

molar, até o momento no qual é atingido a temperatura de desnaturação, onde é observada uma

diminuição significativa desse parâmetro.

Figura 23 – Espectros de dicroísmo circular a 25 ºC e a 90 ºC de uma solução de (a) GOx e (b) Ol-GOx,

ambas preparadas em tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5); (c) Estabilidade térmica da GOx

(linha vermelha) e da Ol-GOx (linha azul) com [θ] em 222 nm.

220 240 260

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

[]

/ d

eg

cm

-2 d

mo

l-1 x

10

3

25 ºC

90 ºC

(a) GOx

Comprimento de onda / nm

220 240 260-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1 (b)

[]

/ d

eg

cm

-2 d

mo

l-1 x

10

3

Comprimento de onda / nm

25 ºC

90 ºC

Ol-GOx

0 25 50 75 100-6,0

-5,5

-5,0

-4,5

-4,0

-3,5

(c)

GOx

Ol-GOx

(deg

cm

-2 d

mo

l-1 x

10

3)

em

22

2 n

m

Temperatura / ºC

Além do dicroísmo circular, a espectroscopia de infravermelho com transformada de

Fourier (FTIR) foi utilizada para examinar as possíveis alterações que ocorreram na estrutura

da proteína após a oligomerização. A figura 24a mostra os espectros de FTIR para a GOx (linha

vermelha) e a Ol-GOx (linha azul), sendo possível observar que ambas apresentaram bandas

nos mesmos números de onda, embora quando analisadas as bandas relativas a amida I (figuras

24b e 24c), nota-se uma diferença em relação as duas amostras.

Page 59: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

58

Figura 24 – (a) Espectros de FTIR da GOx (linha vermelha) e da Ol-GOx (linha azul); (b e c)

Deconvolução das bandas de amida I para a GOx e Ol-GOx, respectivamente, obtidas por FTIR.

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

Ol-GOx

Número de onda (cm-1)

GOx

3293

2919

1657

1536

12471106

(a)

1700 1650 1600

Número de onda (cm-1

)

GOx(b)

1700 1650 1600

Ol-GOx

Número de onda (cm-1

)

(c)

Sabe-se que o espectro de infravermelho de grupos peptídicos, ou seja, a unidade de

repetição das proteínas, é bem estabelecido na literatura na região de 4000-600 cm-1,

apresentando bandas características chamadas de amida A (~3300 cm-1), amida B (~3100 cm-

1), amida I (1600-1690 cm-1), amida II (1480-1575 cm-1), amida III (~1300 cm-1), amida IV

(625-700 cm-1) e amida V (640-800 cm-1).107; 108; 109 A banda de amida A aparece devido a

vibração de estiramento da ligação N-H e esse modo de vibração não depende da conformação

proteica. A banda de amida I é a de maior intensidade para as proteínas, sendo resultante de

vibrações e estiramentos C=O do grupo amida acoplado com o estiramento da ligação C-N.

Esses modos vibracionais são sensíveis a ligações de hidrogênio e ao acoplamento entre dipolos

de transição das ligações peptídicas adjacentes, consequentemente, são sensíveis à estrutura

secundária. A banda amida II envolve tanto o dobramento N-H, quanto o estiramento C-N,109;

110 já a banda amida III depende de detalhes do campo de força, da natureza das cadeias laterais

Page 60: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

59

e das ligações de hidrogênio. As bandas de amida IV e V são, respectivamente, devidas ao

dobramento OCN e ao dobramento fora do plano do NH.111

Assim, pelos espectros contidos na figura 24a, as seguintes atribuições foram realizadas:

as bandas em aproximadamente 1657, 1536 e 3293 cm-1 correspondem as bandas de amida I,

amida II e estriramento –NH, respectivamente, sendo a banda de amida I utilizada para o

monitoramento conformacional de alterações em proteínas.107; 112 O pico presente em 2919 cm-

1 é atribuído ao alongamento e estiramento das ligações –CH na estrutura proteica e os picos

em 1247 e 1106 cm-1 são atribuídos a amida III e a ligações –CN, respectivamente. As bandas

em aproximadamente 600 e 800 cm-1 se referem as bandas de amida IV e V.107; 108

Apesar das mesmas bandas estarem presentes nos espectros de FTIR de ambas as

enzimas, quando analisada a região de amida I (1700-1600 cm-1), evidenciadas na figura 24b e

22c,77; 78; 113 nota-se uma diferença na estrutura secundária das mesmas. A linha vermelha na

figura 24b e a azul na figura 24c mostram as bandas de amida I para a GOx e Ol-GOx,

respectivamente, enquanto que as curvas Gaussianas contidas dentro de cada uma representam

a porção relativa a cada tipo de estrutura secundária presente e as linhas pontilhadas em preto

correspondem as curvas obtidas após o somatório dessas Gaussianas mostrando que não há

disparidade entre o que foi obtido de forma experimental e o somatório das curvas utilizadas

para o cálculo da quantidade dos diferentes tipos de estrutura secundária. A princípio esses

resultados diferem dos obtidos por dicroísmo circular, onde não foram observadas alterações

na estrutura secundária. No entanto, isso pode ser explicado pelo fato do FTIR ser uma técnica

mais precisa quando aglomerados estão presentes, uma vez que diferentemente do CD, ela não

é influenciada pela presença de aglomerados.114

Quando acoplada à microscopia, a espectroscopia vibracional de FTIR permite a

construção de mapas químicos com base na região da amida I, mostrando a distribuição dessas

enzimas quando depositadas em um substrato de fluoreto de cálcio, como pode ser observado

na figura 25, em que (a) corresponde ao mapa químico obtido para a GOx nativa e (b) àquele

obtido para a Ol-GOx.

A maioria dos métodos utilizados para a determinação da estrutura secundária por FTIR

se concentram na análise da banda de amida I, a qual está localizada entre 1700 e 1600 cm-1 e

é composta principalmente (~80%) pela vibração C=O da ligação peptídica, sendo que uma

maneira de analisar essa banda é pela decomposição da mesma em seus constituintes (α-hélice,

folhas-β, etc), os quais estão relacionados com as características estruturais da proteína.78

Assim, a tabela 3 contém as porcentagens de cada tipo de estrutura secundária determinadas

por FTIR.

Page 61: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

60

Figura 25 – Mapas químicos obtidos com base no sinal obtido por FTIR relativo a banda de amida I;

(a) GOx e (b) Ol-GOx.

Tabela 3 - Porcentagem dos diferentes tipos de estrutura secundária obtidas pela deconvolução da banda

amida I obtida no FTIR.

GOx Ol-GOx

folhas-𝛃 26,5% 29,6%

𝛂-hélice 43,3% 43,4%

voltas-𝛃 20,4% 14,3%

randômica 9,8% 12,7%

Analisando a tabela 3 são observadas pequenas diferenças na porcentagem dos

conteúdos de folhas-β e voltas-β para a Ol-GOx, em relação a GOx nativa (3% e 7%,

respectivamente), o que sugere uma pequena alteração na estrutura secundária após a

oligomerização. Esse aumento nas folhas-β é esperado, uma vez que esse tipo de estrutura é

costuma estar presente em agregados proteicos.115

Assim, diante dos resultados apresentados, conclui-se que após a reação com o TFMS,

é formada a Ol-GOx: um oligômero composto por 10 unidades de GOx nativa, sem alterações

em sua estrutura monomérica e com pequenas alterações na estrutura secundária. No entanto, é

de interesse estudar tanto a cinética enzimática da Ol-GOx, embora resultados prévios (figura

11b) tenham mostrado a manutenção de 59% da atividade enzimática, quanto a TDE e a

bioeletrocatálise do bioeletrodo contendo Ol-GOx.

(a) (b)

Page 62: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

61

4.3 Cinética enzimática

A cinética enzimática da GOx e da Ol-GOx foi analisada utilizando a espectroscopia

eletrônica. Nesse caso, a determinação é realizada de forma indireta. Para isso, a absorbância

do ABTS+ foi determinada após a reação com o peróxido de hidrogênio, o qual é formado após

a oxidação da glicose na reação catalisada pela GOx, de acordo com as equações 5 e 6.

β-D-glicose + O2 → D-glucono-1,5-lactona + H2O2 (5)

ABTS + H2O2 ⇌ ABTS+ + H2O (6)

O ABTS+ absorve em 420 nm, o que permitiu determinar a quantidade de produto

formado utilizando a Lei de Lambert-Beer.100

Para a determinação da cinética enzimática, utilizaram-se diferentes concentrações de

glicose (substrato). A figura 26 mostra o gráfico da concentração de glicose versus a formação

de peróxido de hidrogênio, também conhecido como curva de Michaelis-Menten para a GOx

(figura 26a) e para a Ol-GOx (figura 26b) e ainda o duplo-recíproco desses gráficos

(Lineweaver-Burk) (figuras 26c e 26d). Como descrito na equação 5, a glicose é oxidada a

gluconolactona e a enzima é regenerada pela transferência de dois elétrons e dois prótons para

o O2 formando o peróxido de hidrogênio (H2O2). O H2O2 é reduzido de forma catalítica pela

enzima HRP, enquanto o ABTS é oxidado a ABTS+ (equação 6), o qual apresenta um máximo

de absorbância em 420 nm. Assim, as reações da GOx e da Ol-GOx foram monitoradas

medindo-se a absorbância no comprimento de onda citado. As reações se procederam a uma

temperatura controlada em 30 ºC e mediu-se a absorbância após 30 minutos de reação, a qual

foi interrompida pela adição de 0,10 mL de HCl 4,0 mol L-1.

Para a GOx, obteve-se um valor de kcat igual 135 s-1, valor este que está de acordo com

a literatura,116; 117 lembrando que esse valor pode diferir bastante dependendo das condições

utilizadas no estudo cinético, uma vez que parâmetros como o pH e a temperatura do meio

podem alterar os valores obtidos nesse tipo de experimento.118 Uma vez confirmado que a Ol-

GOx continua ativa, ela foi imobilizada em eletrodos de FFC a fim de estudar tanto TDE, quanto

a bioeletrocatálise, como será descrito nos tópicos a seguir.

Page 63: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

62

Figura 26 – Gráfico da concentração de glicose versus a formação de H2O2 e curva de Michaelis-Menten

para a catálise da glicose pela (a) GOx e (b) Ol-GOx; (c) Gráfico de Lineweaver-Burk para a GOx (linha

vermelha) e Ol-GOx (linha azul); (d) Região ampliada de (c).

0 5 10 15 20 25

0,000

0,008

0,016

0,024

0,032

v(f

orm

ação d

e H

2O

2)

(m

ol

L-1

s-1)

Cglicose

(mmol L-1

)

(a)

0 200 400 600 800 1000

0,000

0,003

0,006

0,009

0,012

v(f

orm

ação d

e H

2O

2)

(m

ol

L-1

s-1)

Cglicose

(mmol L-1

)

(b)

0 2000 4000

0

1

2

3

(c)

1/v

(

mo

l-1L

s)

1/CGlicose

(mM-1)

Ol-GOx

GOx

-100 0 100 200 300

0,0

0,1

0,2

GOx

Ol-GOx

1/v

(

mo

l-1L

s)

1/CGlicose

(mM-1)

(d)

4.4 Eletroquímica da GOx nativa e da Ol-GOx

4.4.1 Caracterização dos eletrodos de fibras flexíveis de carbono

Esse trabalho propõe que a Ol-GOx pode ser usada como um potencial biocatalisador

ao invés de sua forma nativa (GOx dimérica), uma vez que a hidrofobicidade e o tamanho da

Ol-GOx conferem a ela propriedades de superfície ideais para a imobilização em superfícies de

carbono. As FFC têm sido utilizadas para a produção de bioeletrodos para estudos fundamentais

e desenvolvimento de biosensores.71; 119; 120 Nesse caso, é utilizada a adsorção física das enzimas

Page 64: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

63

na superfície do eletrodo, sendo conhecido que superfícies sólidas interagem com as proteínas

preferencialmente por forças de van der Waals. Assim, a eletroquímica direta da GOx e da Ol-

GOx pode ser avaliada utilizando a enzima adsorvida fisicamente na superfície dos eletrodos

de FFC. A figura 27 mostra as imagens da microscopia eletrônica de varredura das FFC, sendo

que a figura 27a corresponde a imagem antes do tratamento com ácido sulfúrico e permanganato

de potássio, a figura 27b corresponde a imagem das FFC após esse tratamento químico e as

figuras 27c e 27d correspondem as imagens, em diferentes magnitudes, das FFC após a

adsorção física da GOx.

Figura 27 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura das FFC (a) antes e (b) após o tratamento

com KMnO4 e H2SO4; (c e d) FFC após o tratamento químico e a adsorção de GOx (5 mg mL-1) durante

36 horas.

Embora as figuras 27a e 27b não evidenciem grandes diferenças na morfologia das FFC

antes e após o tratamento, uma vez que a técnica não é sensível o suficiente para essa

observação, sabe-se que este tratamento promove a esfoliação das FFC, como demonstrado por

nosso grupo.37 Já as figuras 27c e 27d possibilitam confirmar que após 36 horas de contato das

FFC com a solução de GOx, a enzima foi adsorvida. A partir desse momento, a seguinte

nomenclatura será adotada para os eletrodos modificados com a enzima nativa e a

oligomerizada: FFC-GOx e FFC-Ol-GOx, respectivamente.

2 µm

(a)

2 µm

(b)

2 µm

(c)

1 µm

(d)

Page 65: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

64

Antes dos experimentos eletroquímicos, determinou-se a quantidade de enzima

adsorvida no eletrodo utilizando-se o seguinte procedimento: uma solução de cada enzima foi

separada em sete amostras, onde a primeira corresponde a amostra controle e as demais

correspondem às soluções nas quais as FFC foram colocadas para a adsorção da enzima. Mediu-

se a absorbância em 276 nm para cada solução antes e após a adsorção das enzimas. Assim,

utilizando a diferença entre a absorbância antes e após as 36 horas de adsorção da enzima na

superfície dos eletrodos, foi possível calcular a quantidade de enzima adsorvida em cada

eletrodo. Portanto, para a GOx nativa, essa quantidade corresponde a 0,21 ± 0,05 mg cm-2 e

para a Ol-GOx corresponde a 0,22 ± 0,07 mg cm-2. Uma vez demonstrado que a quantidade de

enzima adsorvida no eletrodo é a mesma para ambas as espécies, prosseguiu-se com o estudo

da TDE.

4.4.2 Transferência direta de elétrons e cinética de transferência de elétrons

As figuras 28a e 28b mostram os voltamogramas cíclicos obtidos referentes a TDE que

ocorre do FAD presente na enzima para a superfície do eletrodo, sendo que em (b) são

apresentados os voltamogramas cíclicos após a subtração das correntes capacitivas. O potencial

formal obtido para a Ol-GOx é -0,47 V em pH 7,5 e está de acordo com o valor teórico esperado

para o FAD dentro da proteína.121 O voltamograma cíclico mostra uma separação do potencial

de pico (∆E) de 30 mV, o que indica um processo reversível com rápida troca de carga.122

Figura 28 – Voltamogramas cíclicos (a) dos bioeletrodos FFC-GOx (linha vermelha) e FFC-Ol-GOx

(linha azul). Velocidade de varredura: 100 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol

L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera de argônio; (b) após a subtração das correntes capacitivas.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

j /

mA

cm

-2

E / V (Ag/AgClsat

)

(a)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3-0,09

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

0,09

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

GOx

Ol-GOx

(b)

Page 66: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

65

Observa-se, ainda, que as moléculas de Ol-GOx estão adsorvidas à superfície do

eletrodo, sendo obtidos mais de 40 voltamogramas cíclicos consecutivos sem ocorrer

significativa diminuição nas correntes faradaicas como mostrado na figura 29.

Figura 29 – Estabilidade eletroquímica do bioeletrodo de FFC-Ol-GOx com 40 ciclos consecutivos.

Velocidade de varredura: 50 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5).

Temperatura: 25 ºC. Atmosfera de argônio

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-0,18

-0,12

-0,06

0,00

0,06

0,12

0,18

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

A reação eletroquímica envolve dois elétrons para a eletrooxidação do FADH2 a FAD,

como mostrado na equação 7. Para ambos os bioeletrodos, observa-se um aumento linear da

densidade de corrente dos picos anódico (jpa) e catódico (jpc) com o aumento da velocidade de

varredura para o intervalo de 0,05 a 1,0 V s-1, como mostrado na figura 30, sendo que (a) e (b)

correspondem aos voltamogramas cíclicos variando-se a velocidade de varredura para os

bioeletrodos FFC-GOx e FFC-Ol-GOx, respectivamente e (c) e (d) mostram a dependência das

densidades máximas de corrente de pico anódico e catódico em função da velocidade de

varredura para os mesmos bioeletrodos. Este comportamento indica que o processo

eletroquímico é governado por transferência de carga na interface enzima/eletrodo e que elas

estão de fato adsorvidas na superfície das FFC. Para os bioeletrodos aqui utilizados, a enzima

está adsorvida no eletrodo e nesse tópico estudamos apenas a etapa não-catalítica da reação, ou

seja, não há transporte de massa, uma vez que não existem espécies presentes na solução que

devem chegar a superfície do eletrodo. Assim, era esperado o resultado obtido, ou seja, uma

reação governada por transferência de carga.

FAD + 2e− + 2H+ ⇌ FADH2 (7)

Page 67: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

66

Figura 30 – Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos de (a) FFC -GOx e (b) FFC-Ol-GOx em

diferentes velocidades de varredura. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5).

Temperatura: 25 ºC. Velocidade de varredura de 0,05 a 1,0 V s-1. Dependência das densidades máximas

de corrente de pico anódico (jpa) e catódico (jpc) em função da velocidade de varredura para o bioeletrodo

(c) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-GOx.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,50

-0,75

0,00

0,75

1,50 (a)

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,00

-1,50

0,00

1,50

3,00 (b)

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

0 200 400 600 800 1000

-1,50

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50(c)

jpc

jpa

j p (

mA

cm

-2)

v (mV s-1)

0 200 400 600 800 1000-4,20

-2,80

-1,40

0,00

1,40

2,80

4,20(d)

jpc

j p (

mA

cm

-2)

v (mV s-1)

jpa

O formalismo de Butler-Volmer tem sido utilizado para descrever a cinética de

transferência de elétrons, no entanto, essa teoria tem como pressuposto que as energias de

ativação para as curvas catódica e anódica são uma função linear do sobrepotencial, não levando

em consideração o efeito da energia de reorganização (λ) nas constantes de velocidade,122; 123

fazendo com que sejam obtidos valores superestimados de kred/oxi. Esses desvios estão presentes

pelo fato dessa teoria considerar as superfícies de reação lineares e não parabólicas. Dessa

forma, a teoria de Marcus é mais adequada para o estudo de reações de transferência de elétrons

Page 68: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

67

em proteínas redox adsorvidas, apesar de ter sido desenvolvida para reações de transferência

homogênea de elétrons.124; 125

A teoria de Marcus prevê que a velocidade da transferência de elétrons entre um doador

e um aceptor será dependente da energia livre de Gibbs (∆G), da energia de reorganização (λ),

da temperatura (T) e do acoplamento eletrônico entre o doador de elétrons e o aceptor (HAB).126

A constante de velocidade da transferência eletrônica não-adiabática, ou seja, proveniente de

um acoplamento fraco entre um doador de elétron A e um aceptor de elétron B em solução é

descrita por Marcus pela expressão semi-clássica presente na equação 8.

𝑘𝑟𝑒𝑑/𝑜𝑥𝑖 =4𝜋2𝐻𝐴𝐵

2

ℎ√4𝜋𝜆𝑘𝐵𝑇exp[

−(∆𝐺+𝜆)2

4𝜆𝑘𝐵𝑇] (8)

Em que h é a constante de Planck e kB é a constante de Boltzmann. A energia de

reorganização corresponde a energia necessária para reorientar todos os átomos do estado de

equilíbrio para o estado do produto, sendo dividida em duas partes. A contribuição de esfera

interna considera a energia necessária para alterar as distâncias de ligações, já a contribuição

de esfera externa corresponde a reorientação do solvente necessária devido a alteração da

molécula e de suas cargas.30

Quando a energia de reorganização é próxima em magnitude ao potencial aplicado, uma

região de platô se torna evidente quando o sobrepotencial aumenta, fazendo com que a

constante de velocidade pare de aumentar. As equações propostas nessa teoria preveem que

quando há uma aproximação dos valores de sobrepotencial e da energia de reorganização, as

constantes de velocidade não continuarão aumentando de forma exponencial como proposto

pelas equações de Butler-Volmer, ao contrário, elas terão um valor máximo quando o valor do

sobrepotencial corresponder ao valor da energia de reorganização em módulo.127 Isso ocorre

pois quando o sobrepotencial é muito maior do que a energia de reorganização, a distribuição

total dos sítios ativos sobrepõe os estados no eletrodo que estão disponíveis para a transferência

de elétrons. Assim, aumentar a energia livre, e consequentemente, o sobrepotencial, não irá

aumentar a probabilidade da transferência eletrônica.128

Para a transferência de elétrons entre um eletrodo e uma espécie redox adsorvida,

Chidsey89 derivou uma relação entre as constantes de velocidade e o sobrepotencial pela

integração da equação de Marcus. Essa equação descreve a velocidade de transferência de

elétrons entre um doador e um receptor sob todos os níveis de Fermi do eletrodo, utilizando a

distribuição de Fermi-Dirac para explicar a probabilidade de ocupação de cada nível. Assim, a

Page 69: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

68

constante de velocidade máxima (equação 9), kmax, é o k limite quando o sobrepotencial tende

ao infinito.

𝑘𝑚𝑎𝑥 =4𝜋2𝑉0

2

𝑁𝐴ℎ𝑅𝑇exp(−𝛽𝑟) (9)

Em que V0 é o grau de acoplamento eletrônico, r é a distância entre o doador e o receptor

(Å) e β é o coeficiente de decaimento (Å-1). Uma maneira semiempírica utilizada por diferentes

autores129; 130 para estimar a energia de reorganização é analisar a influência da temperatura nas

constantes de velocidade utilizando um gráfico de Arrhenius,131 que é derivado da formulação

de Chidsey89 e baseado no modelo de densidade de estados de Marcus.29; 124 Considerando que

a energia de reorganização é independente da temperatura, ela pode ser determinada a partir da

inclinação do gráfico ln[k0/T1/2] versus T-1, sendo a energia de ativação igual a λ/4:124; 129; 130

𝜆 = −4,03 𝑑ln[𝑘0 𝑇1 2⁄⁄ ] 𝑑[𝑇−1]⁄ (10)

Assim, para a obtenção de kmax e λ, variou-se a velocidade de varredura de 0,05 a 1,0 V

s-1 para as seguintes temperaturas: 15, 20, 25, 30 e 35 ºC, como mostrado nos apêndices B e C.

As figuras 31a e 31b mostram o gráfico de Arrhenius para FFC-GOx e FFC-Ol-GOx,

respectivamente, sendo observada uma relação linear do ln[k0/T1/2] em função de T-1 no

intervalo de temperatura de 293 a 308 K. Construiu-se o gráfico com base nas constantes de

velocidade padrão (𝑘0) obtidas pelo do método de Laviron, que é baseado na teoria de Butler-

Volmer. Nesse caso, as velocidades de transferência de elétrons podem ser descritas por uma

dependência exponencial das constantes de velocidade com o sobrepotencial, de acordo com as

seguintes equações:

𝑘𝑟𝑒𝑑 = 𝑘0 exp(−𝛼𝑛𝐹(𝐸 − 𝐸0′) 𝑅𝑇⁄ ) (11)

𝑘𝑜𝑥𝑖 = 𝑘0 exp((1 − 𝛼)𝑛𝐹(𝐸 − 𝐸0′) 𝑅𝑇⁄ ) (12)

Em que k0 é a constante de velocidade padrão (em sobrepotencial zero), n é o número

de elétrons transferidos e α é o coeficiente de transferência eletrônica, o qual representa o grau

de simetria entre as constantes de velocidade de oxidação e de redução. Os parâmetros α e k0

podem ser determinados a partir do tratamento matemático proposto por Laviron. Para estimar

Page 70: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

69

o valor de α é necessário estudar os potenciais de pico anódico e catódico em função do log υ.

Assim, as figuras 31c e 31d mostram que em altas velocidades há uma relação linear entre os

potenciais de pico e o log ν com inclinações de -2.3RT/αnF e 2.3RT/(1-α)nF para os picos

catódico e anódico, respectivamente. Ressalta-se que a figura 31 corresponde aos gráficos

obtidos dos experimentos realizados a 25 ºC, sendo os demais mostrados nos apêndices D e E.

A partir da inclinação dessas retas, o coeficiente de transferência eletrônica (α) pode ser

estimado, o que permite calcular a constante de velocidade padrão k0 aplicando-se a condição

de E-E0’ = 0 na equação 13.

𝑘0 =𝛼𝑛𝐹𝑣𝑐

𝑅𝑇=

(1−𝛼)𝑛𝐹𝑣𝑎

𝑅𝑇 (13)

Figura 31 – Gráficos de Arrhenius para (a) FFC-GOx e (b FFC-Ol-GOx; Gráficos de Laviron utilizados

no cálculo de k0 (25 ºC) para (c) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-GOx.

3,24 3,30 3,36 3,42 3,48-1,20

-1,15

-1,10

-1,05

-1,00(a)

= 0,28

103 / (T / K)

ln [

(k0T

-1/2/s

-1K

-1/2)

3,24 3,30 3,36 3,42 3,48

-0,9

-0,8

-0,7

-0,6(b)

ln [

(k0T

-1/2/s

-1K

-1/2)

103 / (T / K)

= 0,43

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

log ( / V s-1

)

E

-E0

' / V

(c)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06 (d)

log ( / V s-1

)

E-E

0' /

V

Page 71: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

70

Utilizando a equação 10, a energia de reorganização da GOx foi estimada em 0,28 eV,

enquanto que para a Ol-GOx foi estimada em 0,43 eV. Ressalta-se que esses valores de energia

de reorganização referem-se a etapa não-catalítica da reação. A literatura apresenta valores

como 2,95 eV13 e 2,0 eV91 para a energia de reorganização da GOx. No entanto, esses valores

são referentes as etapas de reação que ocorrem na presença de oxigênio, mais especificamente,

a etapa de abstração de hidreto no primeiro exemplo e a etapa de ativação do oxigênio molecular

no segundo.

A figura 32 mostra as curvas teóricas obtidas a partir das energias de reorganização

estimadas para a GOx e para a Ol-GOx. Essas curvas foram simuladas utilizando a equação 2

e o software Matlab®. Conforme previsto pela teoria de Marcus, em sobrepotenciais altos, as

constantes de velocidade atingem um valor máximo passando por kmáx/2 quando o potencial é

igual, em módulo, a energia de reorganização. Para a GOx, a constante de velocidade máxima

encontrada foi 380 s-1, enquanto que para a Ol-GOx foi 2630 s-1. Assim, conclui-se que a

transferência de carga é aumentada em 7 vezes quando a Ol-GOx é utilizada no eletrodo

modificado.

Figura 32 – Dependência do log (kred + koxi) com o sobrepotencial para os bioeletrodos FFC-GOx (linha

vermelha) e FFC-Ol-GOx (linha azul). As curvas foram simuladas utilizando a equação 2 no software

Matlab®.

-0,8 -0,4 0,0 0,4 0,8

1

2

3

4

Ol-GOx

0,43 eV

E-E0' / V

log

(k

red +

koxi)

0,28 eV

GOx

Esse resultado pode ser explicado em termos da teoria de Marcus (equação 2), uma vez

que a energia de reorganização foi alterada após a oligomerização. A energia de reorganização

descreve a energética do movimento nuclear de moléculas redox e da camada de solvente ao

redor dessa molécula, sendo resultante das alterações nas cargas e do deslocamento espacial

das cargas.92; 93; 129 O rearranjo de cargas promovido pela transferência de dois elétrons por

Page 72: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

71

monômero de Ol-GOx e o tamanho da proteína influenciam de maneira significativa o ambiente

do solvente, resultando em um aumento da energia de reorganização para a Ol-GOx.

Uma vez confirmada a obtenção de maiores densidades de corrente para a TDE quando

utilizada a Ol-GOx no bioeletrodo, estudou-se a bioeletrocatálise da glicose na presença de

oxigênio a fim de verificar se essa nova enzima também é mais eficiente para esse tipo de

processo.

4.4.3 Bioeletrocatálise da glicose

Esse tópico abordará a bioeletrocatálise da glicose utilizando os bioeletrodos FFC-GOx

e FFC-Ol-GOx. No entanto, primeiramente, analisou-se a influência das FFC no processo de

interesse. Para tanto, utilizando as FFC como eletrodo de trabalho, adicionaram-se 50 μL de

uma solução de glicose 0,90 mol L-1 a cada cinco ciclos da voltametria. Como observado na

figura 33a, não há corrente catalítica relativa a oxidação da glicose na ausência da enzima. No

entanto, é observada uma diminuição das correntes no pico em -0,3 V, processo esse que está

relacionado ao oxigênio em contato com as FFC.

Figura 33 – Voltamogramas cíclicos do eletrodo FFC (a) antes (linha preta) e após sucessivas adições

de glicose. Concentração final de glicose no eletrólito: 17,6 mmol L-1; (b) antes (linha preta) e após

sucessivas adições de peróxido de hidrogênio. Concentração final de peróxido de hidrogênio adicionada

ao eletrólito: 13,3 mmol L-1; (c) Ampliação da região de 0,10 a 0,50 V dos voltamogramas cíclicos de

(b). Velocidade de varredura: 50 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH

7,5). Temperatura: 25 ºC. Sistema saturado com oxigênio.

-0,6 -0,3 0,0 0,3 0,6

-2,40

-1,80

-1,20

-0,60

0,00

0,60 (a)

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

-0,6 -0,3 0,0 0,3 0,6

-3,00

-2,40

-1,80

-1,20

-0,60

0,00

0,60(b)

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5-0,45

0,00

0,45

0,90

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat)

(c)

Como a catálise da glicose pela GOx e Ol-GOx produz peróxido de hidrogênio, analisou-

se a resposta do eletrodo FFC na presença do peróxido de hidrogênio. Para isso, adicionaram-se

Page 73: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

72

50 μL de uma solução de peróxido de hidrogênio 0,90 mol L-1 a cada cinco ciclos da voltametria.

Observa-se na figura 33b e 33c uma corrente catalítica referente à oxidação do peróxido de

hidrogênio presente no eletrólito, com potencial de onset próximo a 0,3 V. Assim, se após

imobilizada a enzima catalisar a oxidação da glicose, formando também peróxido de hidrogênio,

conclui-se que a enzima está ativa no eletrodo.

A figura 34 mostra a bioeletrocatálise da glicose utilizando os bioeletrodos FFC-GOx e

FFC-Ol-GOx, considerando que na presença de oxigênio molecular, a glicose é convertida a

ácido glicônico com a concomitante redução do oxigênio a peróxido de hidrogênio.14; 132 O

consumo do oxigênio está relacionado ao processo irreversível em -0,3 V, onde é observada

uma diminuição da corrente de redução relativa ao oxigênio após a adição de glicose (linha

azul), como esperado, uma vez que ele é utilizado durante a oxidação da mesma. Essa

diminuição na densidade de corrente é menor para a Ol-GOx do que para a GOx nativa

provavelmente devido a difusão do O2 ser mais eficiente quando utilizado o bioeletrodo

contendo a Ol-GOx. Este processo está ainda relacionado à produção de peróxido de hidrogênio

e sua oxidação que ocorre em 0,24 V para a GOx e 0,15 V para a Ol-GOx (figura 35).

Figura 34 – Voltamogramas cíclicos dos bioeletrodos (a) FFC-GOx e (b) FFC Ol-GOx na ausência de

oxigênio (linha preta), na presença de oxigênio (linha vermelha) e na presença de oxigênio após a adição

de 13,3 mmol L-1 de glicose no eletrólito. Velocidade de varredura 50 mV s-1. Eletrólito suporte: tampão

fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25 ºC

-0,4 0,0 0,4 0,8

-1,20

-0,80

-0,40

0,00

0,40

j /

mA

cm

-2

E / V (Ag/AgClsat

)

Argônio

O2

O2 + glicose

(a)

-0,4 0,0 0,4 0,8

-1,20

-0,80

-0,40

0,00

0,40

j /

mA

cm

-2

E / V (Ag/AgClsat

)

Argônio

O2

O2 + glicose

(b)

Observa-se que a densidade de corrente para a oxidação da glicose em 0,45 V aumentou

cerca de 30% quando utilizado FFC-Ol-GOx, como mostrado na região ampliada dos

voltamogramas cíclicos contidos na figura 34 (figuras 35a e 35b) e no gráfico da concentração

de glicose versus a densidade de corrente (figura 35c).

Page 74: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

73

Figura 35 – Região ampliada da resposta catalítica dos voltamogramas cíclicos da figura 34. (a) FFC-

GOx e (b) FFC-Ol-GOx, ambos na presença de oxigênio, na ausência de glicose (linha preta) e após

sucessivas adições de glicose. Concentração final de glicose: 13,3 mmol L-1; (c) Gráfico da concentração

de glicose versus densidade de corrente em 0,45 V para a GOx (●) e Ol-GOx (●).

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

GOx

j /

mA

cm

-2

E / V (Ag/AgClsat

)

0,24 V

(a)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

Ol-GOx

j /

mA

cm

-2

E / V (Ag/AgClsat

)

0,15 V

(b)

0 4 8 120,20

0,25

0,30

0,35

0,40

j at

0.4

5 V

/ m

A c

m-2

Cglicose (mmol L-1)

(c)

Uma vez observada a corrente de detecção do peróxido de hidrogênio, o qual é gerado

a partir da oxidação da glicose catalisada pela GOx e pela Ol-GOx, obtiveram-se as curvas de

polarização para ambos os eletrodos, como mostrado na figura 36. Observa-se que o bioeletrodo

FFC-Ol-GOx é mais eficiente do que o FFC-GOx, uma vez que até mesmo para concentrações

menores de glicose, as densidades de corrente relativas a oxidação da glicose são maiores para

a Ol-GOx.

Figura 36 – Curvas de polarização na ausência de glicose para FFC-GOx (linha preta) e FFC-Ol-GOx

(linha cinza) e na presença de 36,7 mmol L-1 de glicose para FFC-GOx (linha vermelha) e 28,3 mmol

L-1 de glicose para FFC-Ol-GOx (linha azul). Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1;

pH 7,5). Temperatura: 25 ºC. Atmosfera sob saturação de oxigênio.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

Page 75: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

74

Uma vez evidenciado que a para o bioeletrodo FFC-Ol-GOx, as correntes relativas a

oxidação da glicose são maiores do que para FFC-GOx, a cinética de ambas as enzimas nos

bioeletrodos foram estudadas utilizando a cronoamperometria (figura 37). Assim como nos

outros experimentos, a solução de glicose (0,90 mol L-1) foi preparada e armazenada a 4 ºC

durante 12 horas para a isomerização da glicose. Para todos os experimentos, oxigênio foi

borbulhado no eletrólito durante dez minutos antes das medidas. Como observado, o perfil de

Michaelis-Menten é seguido em ambos os casos, permitindo o cálculo dos parâmetros cinéticos

da reação.

Figura 37 – Resposta amperométrica na presença de diferentes concentrações de glicose utilizando os

bioeletrodos (a) FFC-GOx e (c) FFC-Ol-GOx; Gráfico de concentração de glicose versus a densidade

de corrente obtida na cronoamperometria para (b) FFC-GOx e (d) FFC-Ol-GOx. Potencial aplicado: 0,7

V (vs Ag/AgClsat). Eletrólito suporte: tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Temperatura: 25

ºC. Atmosfera saturada com oxigênio.

0 600 1200 1800

0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

j /

mA

cm

-2

tempo / s

(a)

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04

0,08

0,12

0,16

0,20

j /

mA

cm

-2

Cglicose

/ mol L-1

(b)

0 400 800 1200

0,09

0,18

0,27

0,36

0,45

j /

mA

cm

-2

tempo / s

(c)

0,00 0,01 0,02 0,03

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

j /

mA

cm

-2

Cglicose

/ mol L-1

(d)

Page 76: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

75

A fim de obter o KMapp, utilizaram-se as metodologias de Lineweaver-Burk (figura 38a

e 38b) e Hanes-Woolf (figura 38c e 38d). Para Lineweaver-Burk, a equação 3 foi utilizada e

nos dá uma indicação da cinética enzima-substrato, correspondendo a uma versão eletroquímica

da equação de Lineweaver-Burk:133; 134 Para a metodologia de Hanes-Woolf,135 a equação 4

pode ser usada para estimar os mesmos parâmetros, considerando que jmax é proporcional a vmax.

Figura 38 – Gráficos de Lineweaver-Burk para (a) GOx and (c) Ol-GOx; Gráficos de Hanes-Woolf

para (b) GOx e (d) Ol-GOx. Dados obtidos das cronoamperometrias relativas a bioeletrocatálise da

glicose.

0 30 60 90 120

4

6

8

10

1/j

(m

A-1

cm

2)

1/Cglicose

(M-1

)

(a)

-10 0 10 20 30 40

40

80

120

160

200

Cg

lico

se/j

(M

A-1

cm

2)

Cglicose

(mM)

(b)

0 80 160 240

2

3

4

5

1/j

(m

A-1

cm

2)

1/Cglicose

(M-1

)

(c)

-10 0 10 20 30

0

20

40

60

80

Cg

lico

se/j

(M

A-1

cm

2)

Cglicose

(mM)

(d)

Assim, utilizando as duas metodologias de linearização a partir da curva de Michaelis-

Menten, os seguintes parâmetros foram obtidos para a GOx: KMapp igual a 11 mmol L-1 e jmax

igual 233 μA cm-2, enquanto que para a Ol-GOx esses valores correspondem a 4,2 mmol L-1 e

445 μA cm-2, respectivamente. Ressalta-se que os valores obtidos em cada metodologia para a

Page 77: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

76

GOx apresentaram concordância entre si e que o mesmo ocorreu quando obtidos os parâmetros

cinéticos para a Ol-GOx.

Para calcular o kcat, a quantidade de enzima ativa no eletrodo foi encontrada pela

integração da resposta faradaica nos voltamogramas cíclicos na ausência da corrente capacitiva.

Considerou-se a equação 7, na qual dois elétrons estão envolvidos, sendo obtido 2,05 × 10-9

mol L-1 e 0,89 × 10-9 mol L-1 para a GOx e Ol-GOx respectivamente. Como a corrente catalítica

é proporcional à raiz quadrada do kcat em condições de saturação de glicose e do limite de

difusão,130 determinaram-se os valores de kcat para ambas as enzimas: 335 s-1 para a GOx e 708

s-1 para a Ol-GOx. Assim, o limite de difusão obtido utilizando os parâmetros calculados por

Hanes-Woolf, kcat/KM, corresponde a 21 mM-1 s-1 para a GOx e 106 mM-1 s-1 para a Ol-GOx,

indicando uma eficiência catalítica maior para a Ol-GOx. A tabela 4 resume os parâmetros

cinéticos obtidos para GOx e para a Ol-GOx.

Tabela 4 – Parâmetros cinéticos obtidos para a GOx e para a Ol-GOx.

GOx Ol-GOx

KMapp 11 mmol L-1 4,2 mmol L-1

jmax 233 μA cm-2 445 μA cm-2

kcat 335 s-1 708 s-1

kcat/KM 21 mM-1 s-1 106 mM-1 s-1

Diante dos resultados apresentados, conclui-se que apesar da reação com o TFMS, a

qual dá origem a GOx oligomerizada, fazer com que a atividade catalítica seja menor, a

utilização dessa nova enzima é válida, uma vez que ela permite a obtenção de densidades de

corrente maiores quando estudada tanto a transferência direta de elétrons, quanto a

bioeletrocatálise da glicose.

Page 78: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

77

5 CONCLUSÃO

Nesta tese de doutorado propõe-se uma estratégia para a obtenção da glicose oxidase

oligomerizada (Ol-GOx). Assim, visando a obtenção de oligômeros da GOx, diferentes ácidos

de Brønsted (TFMS, HCl, H2SO4 e HNO3) foram usados para estudar a influência de cada um

deles na formação dos aglomerados proteicos. Por medidas de DLS e pelo aumento na turbidez,

observado pela espectroscopia eletrônica na região do UV-Vis, conclui-se que todos os ácidos

utilizados promoveram a oligomerização da GOx nativa. No entanto, a análise da estrutura

secundária por FTIR mostrou alterações significativas nos conteúdos de α-hélice e folhas-β

quando HCl, H2SO4 e HNO3 foram utilizados, diferentemente do resultado obtido para a reação

com o TFMS. O aumento nas folhas-β expõe as cadeias hidrofóbicas, melhorando a

comunicação entre a superfície do eletrodo e a proteína. Assim, a melhora na TDE pode ser

explicada pelas alterações na estrutura secundária da enzima. No entanto, por causa dessas

alterações, a atividade enzimática foi reduzida drasticamente (85-94%) após o tratamento com

HCl, HNO3 e H2SO4, tornando inviável a utilização dessas enzimas para a bioeletrocatálise, o

que não ocorre com a Ol-GOx obtida utilizando o TFMS, a qual apresentou uma manutenção

de 59% da atividade enzimática.

Uma vez que a Ol-GOx obtida a partir da reação com o TFMS manteve parcialmente

sua atividade catalítica, esta enzima foi caracterizada e utilizada para os estudos eletroquímicos.

Pela reação com o TFMS, as cadeias hidrofóbicas foram expostas, permitindo a oligomerização

da GOx como mostrado na microscopia eletrônica de transmissão e nas medidas de DLS, onde

foi observado um aumento de dez vezes no raio hidrodinâmico em relação a enzima nativa. Em

relação a caracterização, resultados de SDS-PAGE mostraram que a unidade monomérica não

foi alterada após a reação com o TFMS e por espectroscopia eletrônica na região do UV-Vis,

observou-se a presença das mesmas bandas características do FAD, além do aumento da

turbidez para a Ol-GOx, turbidez essa que é associada à formação dos oligômeros. As imagens

de microscopia confirmaram a diferença na hidrofobicidade de ambas as enzimas, uma vez que

a GOx e a Ol-GOx se comportam de forma diferente quando depositadas em um substrato de

fluoreto de cálcio. Por CD não foram observadas alterações na estrutura secundária da Ol-GOx,

no entanto, sabe-se que essa é uma técnica influenciada pela presença de agregados e por isso,

utilizou-se a espectroscopia de FTIR para a determinação dessa estrutura, uma vez que ela não

é influenciada por esse fator. Analisando os dados obtidos pela deconvolução da banda de

amida I, observaram-se pequenas diferenças na porcentagem dos conteúdos de folhas-β e

voltas-β para a Ol-GOx, em relação a GOx nativa (3% e 7%, respectivamente), o que sugere

Page 79: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

78

uma pequena alteração na estrutura secundária após a oligomerização, sendo esse aumento nas

folhas-β esperado em agregados proteicos.

Em relação a cinética enzimática, observou-se que a Ol-GOx manteve sua atividade

catalítica, permitindo que prosseguíssemos com os testes eletroquímicos, mesmo que a

princípio essa enzima fosse menos ativa do que a GOx nativa.

Estudou-se tanto a etapa não-catalítica (transferência direta de elétrons), quanto a etapa

catalítica (bioeletrocatálise da glicose) da reação catalisada pela GOx e pela Ol-GOx. A etapa

não-catalítica da reação foi avaliada utilizando a voltametria cíclica, sendo obtido um aumento

linear das densidades de corrente dos picos anódico e catódico com o aumento da velocidade

de varredura, indicando que o processo eletroquímico é governado por transferência de carga.

Utilizando a teoria de Marcus determinou-se a constante heterogênea de transferência de carga

e a energia de reorganização para ambas as enzimas, sendo obtido um valor igual a 2630 s-1

para a Ol-GOx enquanto esse valor para a GOx nativa corresponde a 380 s-1, ou seja, a

transferência de carga é aumentada em sete vezes quando a Ol-GOx é utilizada no eletrodo

modificado. A bioeletrocatálise da glicose foi estudada tanto por voltametria cíclica, quanto por

cronoamperometria. Na voltametria cíclica, observou-se um aumento de 30% na densidade de

corrente obtida em 0,45 V quando utilizado o bioeletrodo FFC-Ol-GOx. Já a

cronoamperometria foi utilizada para estudar a cinética de ambas as enzimas adsorvidas nos

bioeletrodos, sendo obtido um KMapp igual a 11 mmol L-1 para a GOx e 4,2 mmol L-1 para a Ol-

GOx, enquanto a jmax obtida para a GOx foi 233 μA cm-2, e 445 μA cm-2 para a Ol-GOx. O

limite de difusão obtido para a GOx foi 21 mM-1 s-1, enquanto que para a Ol-GOx esse valor

corresponde a 106 mM-1 s-1, indicando uma eficiência catalítica maior para a Ol-GOx. Assim,

conclui-se que o oligômero formado após a reação com o TFMS pode ser utilizado como uma

enzima mais eficiente do que sua forma nativa, com características adequadas para sua

estabilização no estado sólido para aplicações em bioenergia, catálise heterogênea e

biomedicina.

Page 80: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

79

REFERÊNCIAS

1. BENTLEY, R.; NEUBERGER, A. The mechanism of tha action of notatin. Biochemical

Journal, v. 45, p. 584-590, 1949.

2. WOHLFAHRT, G.; WITT, S.; HENDLE, J.; SCHOMBURG, D.; KALISZ, H. M.;

HECHT, H. J. 1.8 and 1.9 Å resolution structures of the Penicillium amagasakiense and

Aspergillus niger glucose oxidase as a basis for modelling substrate complexes. Acta

Crystallographica Section D, v. 55, p. 969-977, 1999.

3. WANG, J. Electrochemical glucose biosensors. Chemical Reviews, v. 108, n. 2, p. 814-

825, 2008.

4. IVNITSKI, D.; BRANCH, B.; ATANASSOV, P.; APBLETT, C. Glucose oxidase anode

for biofuel cell based on direct electron transfer. Electrochemistry Communications, v. 8, n.

8, p. 1204-1210, 2006.

5. PAZUR, J. H.; KLEPPE, K. The oxidation of glucose and related compounds by glucose

oxidase from Aspergillus niger. Biochemistry, v. 3, n. 4, p. 578-583, 1964.

6. JONES, M. N.; MANLEY, P.; WILKINSON, A. The dissociation of glucose oxidase by

sodium n-dodecyl sulphate. Biochemical Journal, v. 203, n. 1, p. 285-291, 1982.

7. PAZUR, J. H.; KLEPPE, K.; CEPURE, A. A glycoprotein structure for glucose oxidase

from Aspergillus niger. Archives of Biochemistry and Biophysics, v. 111, n. 2, p. 351-357,

1965.

8. FREDERICK, K. R.; TUNG, J.; EMERICK, R. S.; MASIARZ, F. R.;

CHAMBEERLAINS, S. H.; VASAVADA, A.; ROSEMBERG, S.; CHAKRABORTY, S.;

SCHOPFER, L. M. MASSEY, V. Glucose-oxidase from Aspergillus niger - cloning, gene

sequence, secretion from Saccharomyces cerevisiae and kinetic-analysis of yeast derived

enzyme. Journal of Biological Chemistry, v. 265, n. 7, p. 3793-3802, 1990.

9. TAKEGAWA, K.; FUKIWARA, K.; IWAHARA, S.; YAMAMOTO, K.; TOCHIKURA,

T. Effect of deglycosilation of N-linked sugar chains on glucose oxidase from Aspergillus

niger. Biochemistry and Cell Biology, v. 67, p. 460-464, 1989.

10. KALISZ, H. M.; HECHT, H. J.; SCHOMBURG, D.; SCHMID, R.D. Effects of

carbohydrate depletion on the structure, stability and activity of glucose oxidase from

Aspergillus niger. Biochimica Et Biophysica Acta, v. 1080, n. 2, p. 138-142, 1991.

Page 81: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

80

11. SCHULZ, G. E.; SCHIRMER, R. H.; PAI, E. F. FAD-binding site of glutathione-

reductase. Journal of Molecular Biology, v. 160, n. 2, p. 287-308, 1982.

12. HECHT, H. J.; KALISZ, H. M.; HENDLE, J.; SCHIMID, R. D.; SCHOMBURG, D.

Crystal-structure of glucose oxidase from Aspergillus niger refined at 2.3 Å resolution.

Journal of Molecular Biology, v. 229, n. 1, p. 153-172, 1993.

13. BRINKLEY, D. W.; ROTH, J. P. Determination of a large reorganization energy barrier

for hydride abstraction by glucose oxidase. Journal of the American Chemical Society, v.

127, n. 45, p. 15720-15721, 2005.

14. LESKOVAC, V.; TRIVIC, S.; WOHLFAHRT, G.; KANDRAC, J.; PERICIN, D. Glucose

oxidase from Aspergillus niger: the mechanism of action with molecular oxygen, quinones,

and one-electron acceptors. International Journal of Biochemistry and Cell Biology, v. 37,

n. 4, p. 731-750, 2005.

15. BRIGHT, H. J.; PORTER, D. J. T. The enzymes. 3 ed. New York: Academic Press, 1975.

666 p.

16. GIBSON, Q. H.; MASSEY, V.; SWOBODA, B. E. P. Kinetics and mechanism of action

of glucose oxidase. Journal of Biological Chemistry, v. 239, n. 11, p. 3927-3934, 1964.

17. PALFEY, B. A.; BALLOU, D. P.; MASSEY, V. Active oxygen in biochemistry. New

York: Chapman e Hall, 1995. 463 p.

18. MASSEY, V.; HEMMERICH, P. Active-site probes of flavoproteins. Biochemical

Society Transactions, v. 8, p. 246-257, 1980.

19. HILLE, R.; ANDERSON, R. F. Coupled Electron/Proton transfer in complex

flavoproteins - Solvent kinetic isotope effect studies of electron transfer in xanthine oxidase

and trimethylamine dehydrogenase. Journal of Biological Chemistry, v. 276, n. 33, p.

31193-31201, 2001.

20. FITZPATRICK, P. F. Substrate dehydrogenation by flavoproteins. Accounts of

Chemical Research, v. 34, n. 4, p. 299-307, 2001.

21. HEMMERIC, P.; NAGELSCH, G.; VEEGER, C. Chemistry and molecular biology of

flavins and flavoproteins. Febs Letters, v. 8, n. 2, p. 69-83, 1970.

Page 82: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

81

22. BUGG, T. D. H. Oxygenases: mechanisms and structural motifs for O-2 activation.

Current Opinion in Chemical Biology, v. 5, n. 5, p. 550-555, 2001.

23. WOLFE, M. D.; PARALES, J. V.; GIBSON, D. T.; LIPSCOMB, J. D. Single turnover

chemistry and regulation of O2 activation by the oxygenase component of naphthalene 1,2-

dioxygenase. Journal of Biological Chemistry, v. 276, n. 3, p. 1945-1953, 2001.

24. KRISHTALIK, L. I.; TOPOLEV, V. V. Effects of medium polarization and pre-existing

field on activation energy of enzymatic charge-transfer reactions. Biochimica et Biophysica

Acta, v. 1459, p. 88-105, 2000.

25. WARSHEL, A. Electrostatic origin of the catalytic power of enzymes and the role of

preorganized active sites. Journal of Biological Chemistry, v. 273, n. 42, p. 27035-27038,

1998.

26. CARDOSI, M. F.; TURNER, A. P. F. Biosensors: fundamentals and applications.

Oxford: Oxford University, 1987. 211 p.

27. GHINDILIS, A. L.; ATANASOV, P.; WILKINS, E. Enzyme-catalyzed direct electron

transfer: Fundamentals and analytical applications. Electroanalysis, v. 9, n. 9, p. 661-674,

1997.

28. WILLNER, I. Biomaterials for sensors, fuel cells, and circuitry. Science, v. 298, n. 5602,

p. 2407-2408, 2002.

29. MARCUS, R. A.; SUTIN, N. Electron transfers in chemistry and biology. Biochimica et

Biophysica Acta, v. 811, n. 3, p. 265-322, 1985.

30. ECKERMANN, A. L.; FELD, D. J.; SHAW, J. A.; MEADE, T. J. Electrochemistry of

redox-active self-assembled monolayers. Coordination Chemistry Reviews, v. 254, n. 15-

16, p. 1769-1802, 2010.

31. CARTER, M. T.; ROWE, G. K.; RICHARDSON, J. N.; TENDER, L. M.; TERRILL, R.

H.; MURRAY, R. W. Distance dependence of the low-temperature electron-transfer kinetics

of (ferrocenylcarboxy)-terminated alkanethiol monolayers. Journal of the American

Chemical Society, v. 117, n. 10, p. 2896-2899, 1995.

32. RAMANAVICIUS, A.; KAUSAITE, A.; RAMANAVICIENE, A. Biofuel cell based on

direct bioelectrocatalysis. Biosensors and Bioelectronics, v. 20, n. 10, p. 1962-1967, 2005.

Page 83: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

82

33. WILSON, R.; TURNER, A. P. F. Glucose oxidase: an ideal enzyme. Biosensors and

Bioelectronics, v. 7, n. 3, p. 165-185, 1992.

34. CAI, C. X.; CHEN, J. Direct electron transfer of glucose oxidase promoted by carbon

nanotubes. Analytical Biochemistry, v. 332, n. 1, p. 75-83, 2004.

35. GUISEPPI-ELIE, A.; LEI, C. H.; BAUGHMAN, R. H. Direct electron transfer of glucose

oxidase on carbon nanotubes. Nanotechnology, v. 13, n. 5, p. 559-564, 2002.

36. ZHAO, Y. D.; ZHANG, W. D.; CHEN, H.; LUO, Q. M. Direct electron transfer of

glucose oxidase molecules adsorbed onto carbon nanotube powder microelectrode.

Analytical Sciences, v. 18, n. 8, p. 939-941, 2002.

37. MARTINS, M. V. A.; PEREIRA, A. R.; LUZ, R. A. S.; IOST, R. M.; CRESPILHO, F. N.

Evidence of short-range electron transfer of a redox enzyme on graphene oxide electrodes.

Physical Chemistry Chemical Physics, v. 16, n. 33, p. 17426-17436, 2014.

38. SALES, F. C. P. F.; IOST, R. M.; MARTINS, M. V. A.; ALMEIDA, M. C.;

CRESPILHO, F. N. An intravenous implantable glucose/dioxygen biofuel cell with modified

flexible carbon fiber electrodes. Lab on a Chip, v. 13, n. 3, p. 468-474, 2013.

39. PEREIRA, A. R.; DE SOUZA, J. C. P.; GONÇALVES, A. D.; PAGNONCELLI, K. C.;

CRESPILHO, F. N. Bioelectrooxidation of ethanol using NAD-dependent alcohol

dehydrogenase on oxidized flexible carbon fiber arrays. The Journal of Brazilian Chemical

Society, v. 28, n. 9, p. 1698-1707, 2017.

40. COURJEAN, O.; GAO, F.; MANO, N. Deglycosylation of Glucose Oxidase for Direct

and Efficient Glucose Electrooxidation on a Glassy Carbon Electrode. Angewandte Chemie-

International Edition, v. 48, n. 32, p. 5897-5899, 2009.

41. EDGE, A. S. B.; FALTYNEK, C. R.; HOF, L.; REICHERT JUNIOR, L. E.; WEBER, P.

Deglycosylation of glycoproteins by trifluormethanesulfonic acid. Analytical Biochemistry,

v. 118, p. 131-137, 1981.

42. PEREIRA, A. R.; LUZ, R. A. S.; LIMA, F. C. D. A.; CRESPILHO, F. N. Protein

oligomerization based on Brønsted acid reaction. ACS Catalysis, v. 7, p. 3082-3088, 2017.

43. NOOREN, I. M. A.; THORNTON, J. M. Structural characterisation and functional

significance of transient protein-protein interactions. Journal of Molecular Biology, v. 325,

n. 5, 2003.

Page 84: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

83

44. TEGONI, M.; RAMONI, R.; BIGNETTI, E.,; SPINELLI, S.; CAMBILLAU, C. Domain

swapping creates a third putative combining site in bovine odorant binding protein dimer.

Nature Structural Biology, v. 3, n. 10, p. 863-867, 1996.

45. PARFENYEV, A. N.; SALMINEN, A.; HALONEN, P.; HACHOMORI, A.; BAYKOV,

A. A.; LAHTI, R. Quaternary structure and metal ion requirement of family II

pyrophosphatases from Bacillus subtilis, Streptococcus gordonii, and Streptococcus mutans.

Journal of Biological Chemistry, v. 276, n. 27, p. 24511-24518, 2001.

46. HASHIMOTO, K.; PANCHENKO, A. R. Mechanisms of protein oligomerization, the

critical role of insertions and deletions in maintaining different oligomeric states.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, v. 107,

n. 47, p. 20352-20357, 2010.

47. OFRAN, Y.; ROST, B. Analysing six types of protein-protein interfaces. Journal of

Molecular Biology, v. 325, n. 2, p. 377-387, 2003.

48. NISHI, H.; OTA, M. Amino acid substitutions at protein-protein interfaces that modulate

the oligomeric state. Proteins-Structure Function and Bioinformatics, v. 78, n. 6, p. 1563-

1574, 2010.

49. ZHANG, L.; LU, D. N.; LIU, Z. How native proteins aggregate in solution: A dynamic

Monte Carlo simulation. Biophysical Chemistry, v. 133, n. 1-3, p. 71-80, 2008.

50. WANG, W.; NEMA, S.; TEAGARDEN, D. Protein aggregation - pathways and

influencing factors. International Journal of Pharmaceutics, v. 390, n. 2, p. 89-99, 2010.

51. CHI, E. Y.; KRISHNAN, S.; RANDOLPH, T. W.; CARPENTER, J. F. Physical stability

of proteins in aqueous solution: Mechanism and driving forces in nonnative protein

aggregation. Pharmaceutical Research, v. 20, n. 9, p. 1325-1336, 2003.

52. PHILO, J. S.; ARAKAWA, T. Mechanisms of Protein Aggregation. Current

Pharmaceutical Biotechnology, v. 10, n. 4, p. 348-351, 2009.

53. GRUNE, T.; JUNG, T.; MERKER, K.; DAVIES, K. J. Decreased proteolysis caused by

protein aggregates, inclusion bodies, plaques, lipofuscin, ceroid, and "aggresomes" during

oxidative stress, aging, and disease. The International Journal of Biochemistry and Cell

Biology v. 36, p. 2519–2530, 2004.

Page 85: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

84

54. UVERSKY, V. N.; LI, J.; FINK, A. L. Evidence for a partially folded intermediate in

alpha-synuclein fibril formation. Journal of Biological Chemistry, v. 276, n. 14, p. 10737-

10744, 2001.

55. ROBERTS, C. J. Non-native protein aggregation kinetics. Biotechnology and

Bioengineering, v. 98, n. 5, p. 927-938, 2007.

56. DOBSON, C. M. Protein aggregation and its consequences for human disease. Protein

and Peptide Letters, v. 13, n. 3, p. 219-227, 2006.

57. CHITI, F.; STEFANI, M.; TADDEI, N.; RAMPONI, G.; DOBSON, C. M.

Rationalization of the effects of mutations on peptide and protein aggregation rates. Nature,

v. 424, n. 6950, p. 805-808, 2003.

58. HWANG, W.; ZHANG, S.; KAMM, R. D.; KARPLUS, M. Kinetic control of dimer

structure formation in amyloid fibrillogenesis. Proceedings of the National Academy of

Sciences of the United States of America, v. 101, n. 35, p. 12916-12921, 2004.

59. GOODSELL, D. S.; OLSON, A. J. Structural symmetry and protein function. Annual

Review of Biophysics and Biomolecular Structure, v. 29, p. 105-153, 2000.

60. ALI, M. H.; IMPERIALI, B. Protein oligomerization: How and why. Bioorganic and

Medicinal Chemistry, v. 13, n. 17, p. 5013-5020, 2005.

61. JONES, S.; THORNTON, J. M. Protein-protein interactions - a review of protein dimer

structures. Progress in Biophysics and Molecular Biology, v. 63, n. 1, p. 31-65, 1995.

62. MCCOY, A. J.; EPA, V. C.; COLMAN, P. M. Electrostatic complementarity at

protein/protein interfaces. Journal of Molecular Biology, v. 268, n. 2, p. 570-584, 1997.

63. ATKINS, P. W.; JONES, L. Princípios de química: questionando a vida moderna e o

meio ambiente. 5 ed. Porto Alegre: Bookman, 2012. 1048 p.

64. AKIYAMA, T. Stronger bronsted acids. Chemical Reviews, v. 107, n. 12, p. 5744-5758,

2007.

65. AKIYAMA, T.; MORI, K. Stronger Brønsted acids: recent progress. Chemical Reviews,

v. 115, n. 17, p. 9277-9306, 2015.

Page 86: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

85

66. HOWELLS, R. D.; MC COWN, J. D. Trifluoromethanesulfonic acid and derivatives.

Chemical Reviews, v. 77, n. 1, p. 69-92, 1977.

67. HASZELDINE, R. N.; KIDD, J. M. Perfluoroalkyl derivatives of sulphur. 1.

Trifluoromethanesulphonic acid. Journal of the Chemical Society, p. 4228-4232, 1954.

68. SOJAR, H. T.; BAHL, O. P. A chemical method for the deglycosylation of proteins.

Archives of Biochemistry and Biophysics, v. 259, n. 1, p. 52-57, 1987.

69. EDGE, A. S. B. Deglycosylation of glycoproteins with trifluoromethanesulphonic acid:

elucidation of molecular structure and function. Biochemical Journal, v. 376, p. 339-350,

2003.

70. TAMS, J. W.; WELINDER, K. G. Mild chemical deglycosylation of horseradish-

peroxidase yields a fully active, homogeneous enzyme. Analytical Biochemistry, v. 228, n.

1, p. 48-55, 1995.

71. PEREIRA, A. R.; DE SOUZA, J. C. P.; IOST, R. M.; SALES, F. C. P. F.; CRESPILHO,

F. N. Application of carbon fibers to flexible enzyme electrodes. Journal of

Electroanalytical Chemistry, v. 780, p. 396-406, 2016.

72. PAVIA, D. L.; LAMPMAN, G. M.; KRIZ, G. S.; VYVYAN, J. A. Introduction to

spectroscopy. Belmont: Thomson Learning, 2009. 680 p.

73. BERTUCCI, C.; PISTOLOZZI, M.; DE SIMONE, A. Circular dichroism in drug

discovery and development: an abridged review. Analytical and Bioanalytical Chemistry,

v. 398, n. 1, p. 155-166, 2010.

74. FASMAN, G. D. Circular dichroism and the conformational analysis of biomolecules.

New York: Springer, 1996. 738 p.

75. BEYCHOK, S. Circular dichroism of biological macromolecules. Science, v. 154, p.

1288-1299, 1966.

76. CONSTANTINO, M. G. Química orgânica: curso básico universitário. Rio de Janeiro:

LTC, 2008. 512 p.

Page 87: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

86

77. SUREWICZ, W. K.; MANTSCH, H. H.; CHAPMAN, D. Determination of protein

secondary structure by Fourier transform infrared spectroscopy: a critical assessment.

Biochemistry, v. 32, n. 2, p. 389-394, 1993.

78. ARRONDO, J. L. R.; GONI, F. M. Structure and dynamics of membrane proteins as

studied by infrared spectroscopy. Progress in Biophysics and Molecular Biology, v. 72, n.

4, p. 367-405, 1999.

79. VOET, D.; VOET, J. G. Bioquímica. 3 ed. Porto Alegre: Artmed, 2006. 1596 p.

80. HAMES, B. D. Gel electrophoresis of proteins: a practical approach. 3 ed. New York:

Oxford University, 1998. 352 p.

81. GERSTEN, D. M. Gel electrophoresis: proteins - essential techniques. New York: John

Willey, 1996. 175 p.

82. LEWIS, J. K.; WEI, J.; SIUZDAK, G. Matrix-assisted laser desorption/ionization mass

spectrometry in peptide and protein analysis. Encyclopedia of Analytical Chemistry, p.

5880-5894, 2000.

83. LORBER, B.; FISCHER, F.; PAILLY, M.; ROY, H.; KERN, D. Protein analysis by

dynamic light scattering: Methods and techniques for students. Biochemistry and Molecular

Biology Education, v. 40, n. 6, p. 372-382, 2012.

84. ILLANES, A. Enzyme biocatalysis: principles and applications. Berlim: Springer, 2008.

392 p.

85. KALISZ, H. M.; HENDLE, J.; SCHMID, R. D. Purification of the glycoprotein glucose-

oxidase from Penicillium-amagasakiense by high-performance liquid-chromatography.

Journal of Chromatography, v. 521, n. 2, p. 245-250, 1990.

86. SAHM, H.; SCHÜTTE, H.; KULA, M.-R. Alcohol oxidase from Candida boidinni.

Methods in Enzymology, v. 89, p. 424-428, 1982.

87. LEGER, C.; BERTRAND, P. Direct electrochemistry of redox enzymes as a tool for

mechanistic studies. Chemical Reviews, v. 108, n. 7, p. 2379-2438, 2008.

Page 88: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

87

88. HEERING, H. A.; HIRST, J.; ARMSTRONG, F. A. Interpreting the catalytic

voltammetry of electroactive enzymes adsorbed on electrodes. Journal of Physical

Chemistry B, v. 102, n. 35, p. 6889-6902, 1998.

89. CHIDSEY, C. E. D. Free-energy and temperature-dependence of electron-transfer at the

metal-electrolyte interface. Science, v. 251, n. 4996, p. 919-922, 1991.

90. LUZ, R. A. S.; CRESPILHO, F. N. Gold nanoparticle-mediated electron transfer of

cytochrome c on a self-assembled surface. RSC Advances, v. 6, n. 67, p. 62585-62593, 2016.

91. ROTH, J. P.; KLINMAN, J. P. Catalysis of electron transfer during activation of O2 by

the flavoprotein glucose oxidase. Proceedings of the National Academy of Sciences of the

United States of America, v. 100, n. 1, p. 62-67, 2003.

92. MIYASHITA, O.; GO, N. Reorganization energy of protein electron transfer reaction:

Study with structural and frequency signature. Journal of Physical Chemistry B, v. 104, n.

31, p. 7516-7521, 2000.

93. KRISHTALIK, L. I. The medium reorganization energy for the charge transfer reactions

in proteins. Biochimica Et Biophysica Acta-Bioenergetics, v. 1807, n. 11, p. 1444-1456,

2011.

94. GSPONER, J.; HABERTHUR, U.; CAFLISCH, A. The role of side-chain interactions in

the early steps of aggregation: Molecular dynamics simulations of an amyloid-forming

peptide from the yeast prion Sup35. Proceedings of the National Academy of Sciences of

the United States of America, v. 100, n. 9, p. 5154-5159, 2003.

95. KLIMOV, D. K.; THIRUMALAI, D. Dissecting the assembly of Abeta 16-22 amyloid

peptides into antiparallel beta sheets. Structure, v. 11, p. 295-307, 2003.

96. MASSEY, V. The chemical and biological versatility of riboflavin. Biochemical Society

Transactions, v. 28, p. 283-296, 2000.

97. ZHOU, K. F.; ZHU, Y.; YANG, X.; LI, C. Electrocatalytic oxidation of glucose by the

glucose oxidase immobilized in graphene-Au-nafion biocomposite. Electroanalysis, v. 22, n.

3, p. 259-264, 2010.

Page 89: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

88

98. PEREIRA, A. R.; IOST, R. M.; MARTINS, M. V. A.; YOKOMIZO, C. H.; DA SILVA,

W. C.; NANTES, I. L.; CRESPILHO, F. N. Molecular interactions and structure of a

supramolecular arrangement of glucose oxidase and palladium nanoparticles. Physical

Chemistry Chemical Physics, v. 13, n. 26, p. 12155-12162, 2011.

99. CROMWELL, M. E. M.; HILARIO, E.; JACOBSON, F. Protein aggregation and

bioprocessing. Aaps Journal, v. 8, n. 3, p. E572-E579, 2006.

100. SKOOG, D. A.; HOLLER, F. J.; CROUCH, S. R. Principles of instrumental analysis.

Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2007. 1039 p.

101. FASMAN, G. D. Handbook of biochemistry and molecular biology. Boca Raton:

CRC, 1990. 244 p.

102. TELLECHEA, E.; WILSON, K. J.; BRAVO, E.; HAMAD-SCHIFFERLI, K.

Engineering the interface between glucose oxidase and nanoparticles. Langmuir, v. 28, n. 11,

p. 5190-5200, 2012.

103. GREENFIELD, N. J. Applications of circular dichroism in protein and peptide analysis.

Trac-Trends in Analytical Chemistry, v. 18, n. 4, p. 236-244, 1999.

104. KELLY, S. M.; PRICE, N. C. The application of circular dichroism to studies of protein

folding and unfolding. Biochimica Et Biophysica Acta-Protein Structure and Molecular

Enzymology, v. 1338, n. 2, p. 161-185, 1997.

105. KELLY, S. M.; JESS, T. J.; PRICE, N. C. How to study proteins by circular dichroism.

Biochimica Et Biophysica Acta-Proteins and Proteomics, v. 1751, n. 2, p. 119-139, 2005.

106. JOHNSON, C. M.; FERSHT, A. R. Protein stability as a function of denaturant

concentration: the thermal stability of barnase in the presence of urea. Biochemistry, v. 34, n.

20, p. 6795-6804, 1995.

107. BARTH, A. Infrared spectroscopy of proteins. Biochimica et Biophysica Acta-

Bioenergetics, v. 1767, n. 9, p. 1073-1101, 2007.

108. KRIMM, S.; BANDEKAR, J. Vibrational spectroscopy and conformation of peptides,

polypeptides, and proteins. Advances in Protein Chemistry, v. 38, p. 181-364, 1986.

Page 90: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

89

109. SUSI, H.; BYLER, D. M. Resolution-enhanced fourier-transform infrared-spectroscopy

of enzymes. Methods in Enzymology, v. 130, p. 290-311, 1986.

110. BANDEKAR, J. Amide modes and protein conformation. Biochimica et Biophysica

Acta, v. 1120, n. 2, p. 123-143, 1992.

111. PORTACCIO, M.; DELLA VENTURA, B.; MITA, D. G.; MANOLOVA, N.;

STOILOVA, O.; RASHKOV, I.; LEPORE, M. FT-IR microscopy characterization of sol-gel

layers prior and after glucose oxidase immobilization for biosensing applications. Journal of

Sol-Gel Science and Technology, v. 57, n. 2, p. 204-211, 2011.

112. HAMM, P.; LIM, M. H.; HOCHSTRASSER, R. M. Structure of the amide I band of

peptides measured by femtosecond nonlinear-infrared spectroscopy. Journal of Physical

Chemistry B, v. 102, n. 31, p. 6123-6138, 1998.

113. MAGDALENO, L.; GASSET, M.; VAREA, J.; SCHAMBONY, A. M.; URBANKE, C.;

RAIDA, M.; TÖPFER-PETERSON, E.; CALVETE, J. J. Biochemical and conformational

characterisation of HSP-3, a stallion seminal plasma protein of the cysteine-rich secretory

protein (CRISP) family. Febs Letters, v. 420, n. 2-3, p. 179-185, 1997.

114. ARRONDO, J. L. R.; MUGA, A.; CASTRESANA, J.; GOÑI, F. M. Quantitative studies

of the structure of proteins in solution by Fourier-transform infrared-spectroscopy. Progress

in Biophysics and Molecular Biology, v. 59, n. 1, p. 23-56, 1993.

115. STATHOPULOS, P. B.; RUMFELDT, J. A. O.; SCHOLZ, G. A.; IRANI, R. A.; FREY,

H. E.; HALLEWELL, R. A.; LEPOCK, J. R.; MEIERING, E. M. Cu/Zn superoxide

dismutase mutants associated with amyotrophic lateral sclerosis show enhanced formation of

aggregates in vitro. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States

of America, v. 100, n. 12, p. 7021-7026, 2003.

116. NAKAMURA, S.; HAYASHI, S.; KOGA, K. Effect of periodate oxidation on the

structure and properties of glucose oxidase. Biochimica et Biophysica Acta, v. 445, p. 294-

308, 1976.

117. HOLLAND, J. T.; LAU, C.; BROZIK, S.; ATANASSOV, P.; BANTA, S. Engineering

of glucose oxidase for direct electron transfer via site-specific gold nanoparticle conjugation.

Journal of the American Chemical Society, v. 133, n. 48, p. 19262-19265, 2011.

118. NELSON, D. L.; COX, M. M. Principles of biochemistry. 4 ed. New York: Freeman

and Company, 2005. 1340 p.

Page 91: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

90

119. DE SOUZA, J. C. P.; IOST, R. M.; CRESPILHO, F. N. Nitrated carbon nanoblisters for

high-performance glucose dehydrogenase bioanodes Biosensors and Bioelectronics, v. 77, p.

860-865, 2015.

120. IOST, R. M.; SALES, F. C. P. F.; MARTINS, M. V. A.; ALMEIDA, M. C.;

CRESPILHO, F. N. Glucose biochip based on flexible carbon fiber electrodes: in vivo

diabetes evaluation in rats. Chemelectrochem, v. 2, n. 4, p. 518-521, 2015.

121. SALIMI, A.; SHARIFI, E.; NOORBAKHSH, A.; SOLTANIAN, S. Immobilization of

glucose oxidase on electrodeposited nickel oxide nanoparticles: direct electron transfer and

electrocatalytic activity. Biosensors and Bioelectronics, v. 22, n. 12, p. 3146-3153, 2007.

122. BARD, A. J.; FAULKNER, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and

applications. New York: Wiley, 1980. 864 p.

123. TENDER, L.; CARTER, M. T.; MURRAY, R. W. Cyclic voltammetric analysis of

ferrocene alkanethiol monolayer electrode-kinetics based on Marcus theory. Analytical

Chemistry, v. 66, n. 19, p. 3173-3181, 1994.

124. MARCUS, R. A. On the theory of oxidation-reduction reactions involving electron

transfer. Journal of Chemical Physics, v. 24, n. 5, p. 966-978, 1956.

125. MARCUS, R. A. Chemical and electrochemical electron-transfer theory. Annual

Review of Physical Chemistry, v. 15, p. 155-196, 1964.

126. MARCUS, R. A. Theoretical study of electron transfer reactions of solvated electrons.

Advances in Chemistry Series. v. 50, p.138-148, 1965.

127. SCHMICKLER, W.; SANTOS, E. Interfacial electrochemistry. New York: Oxford

University Press, 1996. 270 p.

128. WEBER, K.; CREAGER, S. E. Voltammetry of redox-active groups irreversibly

adsorbed onto electrodes - treatment using the Marcus relation between rate and overpotential.

Analytical Chemistry, v. 66, n. 19, p. 3164-3172, 1994.

129. PARK, W.; HONG, H. G. Determination of reorganization energy from the temperature

dependence of electron transfer rate constant for hydroquinone-tethered self-assembled

monolayers (SAMs). Bulletin of the Korean Chemical Society, v. 27, n. 3, p. 381-385,

2006.

Page 92: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

91

130. SMALLEY, J. F.; FELDBERG, S. W.; CHIDSEY, C. E. D.; LINFORD, M. R.;

NEWTON, M. D.; LIU, Y. P. The kinetics of electron-transfer through ferrocene-terminated

alkanethiol monolayers on gold. Journal of Physical Chemistry, v. 99, n. 35, p. 13141-

13149, 1995.

131. LEVINE, I. N. Physical chemistry. New York: McGraw-Hill, 2009. 1013 p.

132. KALISZ, H. M.; HECHT, H. J.; SCHOMBURG, D.; SCHMID, R. D. Crystallization

and preliminary X-ray diffraction studies of a deglycosylated glucose oxidase from

Aspergillus niger. Journal of Molecular Biology, v. 213, n. 2, p. 207-209, 1990.

133. CASS, A. E. G. Biosensors: a practical approach. Oxford: IRL Press, 1990. 288 p.

134. NASRI, Z.; SHAMS, E.; AHMADI, M. Direct Modification of a Glassy Carbon

Electrode with Toluidine Blue Diazonium Salt: Application to NADH Determination and

Biosensing of Ethanol. Electroanalysis, v. 25, n. 8, p. 1917-1925, 2013.

135. RITCHIE, R. J.; PRVAN, T. Current statistical methods for estimating the KM and Vmax

of Michaelis-Menten kinetics. Biochemical Education, v. 24, n. 4, p. 196-206, 1996.

Page 93: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

92

APÊNDICES

APÊNDICE A - Gráficos de Laviron utilizados no cálculo de k0 para (a) FFC-GOx-HCl, (b) FFC-GOx-

H2SO4 e (c) FFC-GOx-HNO3.

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2-0,12

-0,08

-0,04

0,00

0,04

0,08

E-E

0' /

V

log v

(a)

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2

-0,03

0,00

0,03

0,06

E-E

0' /

V

log v

(b)

-1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2

-0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

E-E

0' /

V

log v

(c)

Page 94: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

93

APÊNDICE B - Voltamogramas cíclicos do bioeletrodo FFC-GOx em diferentes velocidades de

varredura nas temperaturas: (a) 15 ºC, (b) 20 ºC, (c) 25 ºC, (d) 30 ºC e (e) 35 ºC. Eletrólito suporte:

tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Velocidade de varredura de 0,05 a 1,0 V s-1; (f)

Dependência das correntes de pico catódico e anódico com a temperatura para a velocidade de varredura

igual a 100 mV s-1.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,10

-0,55

0,00

0,55

1,10

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(a)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,10

-0,55

0,00

0,55

1,10

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(b)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,10

-0,55

0,00

0,55

1,10

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(c)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,10

-0,55

0,00

0,55

1,10

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(d)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-1,10

-0,55

0,00

0,55

1,10

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(e)

15 20 25 30 35

-0,11

-0,09

0,06

0,09

jpc

jpa

j p (

mA

cm

-2)

Temperatura (ºC)

(f)

Page 95: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

94

APÊNDICE C - Voltamogramas cíclicos do bioeletrodo FFC-Ol-GOx em diferentes velocidades de

varredura nas temperaturas: (a) 15 ºC, (b) 20 ºC, (c) 25 ºC, (d) 30 ºC e (e) 35 ºC. Eletrólito suporte:

tampão fosfato de sódio (0,10 mol L-1; pH 7,5). Velocidade de varredura de 0,05 a 1,0 V s-1; (f)

Dependência das correntes de pico catódico e anódico com a temperatura para a velocidade de varredura

igual a 100 mV s-1.

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,60

-1,80

0,00

1,80

3,60

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(a)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,60

-1,80

0,00

1,80

3,60

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(b)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,60

-1,80

0,00

1,80

3,60

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(c)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,60

-1,80

0,00

1,80

3,60

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(d)

-0,6 -0,5 -0,4 -0,3

-3,60

-1,80

0,00

1,80

3,60

j /

mA

cm

-2

E / V(Ag/AgClsat

)

(e)

15 20 25 30 35

-0,36

-0,30

0,24

0,30j p

/ m

A c

m-2

Temperatura / ºC

jpa

jpc

(f)

Page 96: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

95

APÊNDICE D - Gráficos de Laviron utilizados no cálculo de k0 para FFC-GOx nas seguintes

temperaturas: (a) 15 ºC, (b) 20 ºC, (c) 25 ºC, (d) 30 ºC e (e) 35 ºC.

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

E

-E0

' / V

log ( / V s-1

)

(a)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

E-E

0' /

V

log ( / V s-1

)

(b)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

log ( / V s-1

)

E

-E0

' / V

(c)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

log ( / V s-1

)

E-E

0' /

V

(d)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

E-E

0' /

V

log ( / V s-1)

(e)

Page 97: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

96

APÊNDICE E - Gráficos de Laviron utilizados no cálculo de k0 para FFC-Ol-GOx nas seguintes

temperaturas: (a) 15 ºC, (b) 20 ºC, (c) 25 ºC, (d) 30 ºC e (e) 35 ºC.

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3-0,09

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

log ( / V s-1

)

E-E

0' /

V

(a)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

E-E

0' /

V

log ( / V s-1)

(b)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

log ( / V s-1)

E-E

0' /

V

(c)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

log ( / V s-1

)

E-E

0' /

V

(d)

-1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0,0 0,3

-0,06

-0,03

0,00

0,03

0,06

E

-E0

' / V

log ( / V s-1

)

(e)

Page 98: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

97

PUBLICAÇÕES NO PERÍODO DO DOUTORADO

1. MARTINS, M. V. A.; PEREIRA, A. R.; LUZ, R. A. S.; IOST, R. M.; CRESPILHO, F. N.

Evidence of short-range electron transfer of a redox enzyme on graphene oxide electrodes.

Physical Chemistry Chemical Physics, v. 16, p. 17426-17436, 2014.

2. LUZ, R. A. S.; PEREIRA, A. R.; DE SOUZA, J. C. P.; SALES, F. C. P. F.; CRESPILHO,

F. N. Enzyme biofuel cells: thermodynamics, kinetics and challenges in applicability.

ChemElectroChem. v. 1, n. 11, 1751-1777, 2014.

3. PEREIRA, A. R.; DE SOUZA, J. C. P.; IOST, R. M.; SALES, F. C. P. F.; CRESPILHO, F.

N. Application of carbon fibers to flexible enzyme electrodes. Journal of Electroanalytical

Chemistry, v. 780, p. 396-406, 2016.

4. PEREIRA, A. R.; DE SOUZA, J. C. P.; GONÇALVES, A. D.; PAGNONCELLI, K. C.;

CRESPILHO, F. N. Bioelectrooxidation of ethanol using NAD-dependent alcohol

dehydrogenase on oxidized flexible carbon fiber arrays. Journal of the Brazilian Chemical

Society, v. 28, n. 9, p. 1698-1707, 2017.

5. PEREIRA, A. R.; LUZ, R. S. A.; LIMA, F. C. D. A.; CRESPILHO, F. N. Protein

oligomerization based on Brønsted acid reaction. ACS Catalysis, v. 7, p. 3082-3088, 2017.

6. PEREIRA, A. R.; SEDENHO, C. R.; DE SOUZA, J. C. P.; CRESPILHO, F. N. Advances in

enzyme bioelectrochemistry. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 2017. In press.

7. LUZ, R. A. S.; PEREIRA, A. R.; IOST, R. M.; CRESPILHO, F. N. Biofuel cells. In: DE

SOUZA, F.; LEITE, E. (eds). Nanoenergy Springer, Cham, 2018.

8. PEREIRA, A. R.; CRESPILHO; F. N. Evidences that β-sheets are intrinsically correlated to

direct electron transfer process in catalase-free oligomerized-glucose oxidase, 2017. Submitted.

9. PAGNONCELLI, K. C.; PEREIRA, A. R.; SEDENHO, G. C.; CRESPILHO, F. N. Ethanol

generation and energy production in a cooperative bioelectrochemical system, 2017. Submitted.

Page 99: Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos … · 2017. 10. 19. · Universidade de São Paulo Instituto de Química de São Carlos Programa de Pós-graduação

98

10. SEDENHO, G. C.; PEREIRA, A. R.; PAGNONCELLI, K. C.; DE SOUZA, J. C. P.;

CRESPILHO, F. N. Implantable enzyme based biofuel cells. In: Encyclopedia of interfacial

chemistry: surface science and electrochemistry, 2017. Invited and Submitted.