Efeito do campo elétrico nas bases nitrogenadas do DNA – Um estudo via DFT

ISBN 978-85-85905-21-7

Área

Físico-Química

Autores

Sousa, B.S.M. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Neto, A.F.G. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Neto, A.M.J.C. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ) ; Pereira, B.L.S. (UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ)

Resumo

O presente trabalho tem por objetivo investigar o efeito do campo elétrico aplicado em diferentes intensidades sobre as bases nitrogenadas.Os cálculos foram realizados utilizado o software Gaussian 09W, onde o campo elétrico foi aplicado sobre cada uma das bases nitrogenadas do DNA em diferentes intensidade na direção dos seus momentos dipolo. Por meio dos resultados foi possível observar que citosina apresentou-se como a base com menor variação na sua energia de GAP para as intensidades aplicadas, enquanto que as bases Adenina, Guanina e Timina apresentaram acentuadas reduções. Tal redução da energia de GAP sugere que a ação do campo elétrico externo promove a sobreposição dos orbitais HOMO e LUMO, provocando alterações na distribuição eletrônica das bases nitrogenadas.

Palavras chaves

Bases nitrogenadas ; Campo elétrico ; DFT

Introdução

Em meio a uma sociedade onde o avanço industrial e tecnológico é crescente, estamos diariamente expostos as mais variadas ondas eletromagnéticas. Assim, estamos diariamente expostos a radiações de campos elétricos com intensidades na faixa de 1-20V/m. Toda via, mesmo para radiações de baixa frequência a exposição a campos desta intensidade podem provocar no corpo humano reações evidentes, como o eriçamento dos cabelos (SILVA, 2009). A interação do campo elétrico com o corpo humano vem há anos sendo alvo de questionamentos e pesquisas, desta forma, o presente trabalho tem como alvo o estudo por meio de simulação computacional da interação entre o campo elétrico e o DNA. A metodologia é baseada no trabalho de Cerón-Carrasco e Jacquemin (CERÓN-CARRASCO et al, 2013) onde propõe-se que o campo elétrico induz o mecanismo de próton transferência entre as bases guanina e citosina, o que estaria associado a uma possível alteração na estrutura das bases nitrogenadas. Neste trabalho é proposta uma abordagem quântica das interações, no qual a variação da energia de GAP é analisada em função da intensidade do campo elétrico aplicado.

Material e métodos

A fim de investigar o efeito do campo elétrico quando aplicado sobre as bases nitrogenadas do DNA, foram realizados cálculos utilizando a Teoria do Funcional de Densidade (TFD) (Density Functional Theory - DFT) (HOHENBERG et al, 1964; KOHN et al, 1965) para realizar cálculos de otimização de geometria das bases. Para a realização desses cálculos utilizamos o software Gaussian 09W (FRISCH MJ et al, 2009), onde as seguintes bases: Adenina, Citosina, Timina e Guanina foram otimizadas através do funcional hibrido B3LYP e o conjunto de bases 6-311++g(d,p). Os cálculos foram realizados levando em conta a direção do vetor momento de dipolo de cada uma das bases nitrogenadas analisadas, de tal forma que para várias intensidades de campo elétrico, as quais estiveram na faixa de -1000×10^-4 au a +1000×10^-4 au foram aplicas no mesmo sentido que o momento de dipolo (EEXT > 0), e também no sentido contrário ao momento de dipolo (EEXT < 0), tal como mostrado na Figura 1. Inserir Figura 1 Contudo, as bases nitrogenadas foram otimizadas sob o efeito do campo elétrico e a Energia de Gap (EG) delas foram calculadas

Resultado e discussão

A Figura 2 apresenta EG das bases nitrogenadas do DNA em função de várias intensidades de campo elétrico aplicadas na orientação do vetor momento de dipolo. As curvas mostram que o efeito do campo elétrico muda para diferentes bases, indicando que algumas são mais suscetíveis a sofrerem deformações devido à ação do EEXT. A Adenina mostrou-se como a base mais instável sob a ação do campo elétrico, uma vez que para campos contrários ao momento de dipolo (EEXT < 0) os valores de EG variam de forma acentuada, sendo possível observar que sua estrutura molecular não consegue suportar intensidades de EEXT maiores que, aproximadamente, -200×10^-4 au (note que o sinal negativo representa apenas o sentido do campo), mas suporta maiores intensidades de EEXT apontando no mesmo sentido que o momento de dipolo. Por outro lado, a Citosina foi a base nitrogenada mais estável sob o efeito do EEXT, não apresentando alterações significativas para toda as intensidades de EEXT consideradas, principalmente para a faixa que vai de -500×10^-4au até +1000×10^-4au. A Timina e a Guanina apresentaram resultados relativamente próximos, principalmente para campos na faixa de -10×10^-4au até -50×10^-4au (Figura 2-b), onde houve estabilidade das geométricas moleculares de ambas as bases. Contudo, para campos aplicados no mesmo sentido do momento de dipolo, tais bases mostraram-se consideravelmente instáveis, de modo que a Timina sofre uma grande alteração na EG a partir de EEXT = +100×10^-4 au, suportando o campo máximo de +500×10^-4au, enquanto que a Guanina, apesar de suportar o campo máximo de +1000×10^-4au apresenta uma alteração da mesma ordem da sofrida pela timina, porém, já para o campo inicial de, aproximadamente, EEXT = +10×10^-4au. INSERIR FIGURA 2

Figura 1: Os campos foram aplicados primeiramente no mesmo sentido que o vetor momento de dipolo, e depois no sentido contrário.


Figura 2: Energia de Gap versus Campo elétrico. (a) Para intensidade de Campo elétrico de -1000×10-4au a +1000×10-4au. (b) -50×10-4au a +50×10-4au.

Conclusões

Por meio dos resultados é possível observar que das bases do DNA submetidas a ação do campo elétrico, a Citosina é a que apresenta estrutura de maior estabilidade, enquanto que as outras bases mostram-se consideravelmente suscetíveis às grandes alterações em suas distribuições eletrônicas, bem como à sobreposição dos orbitais HOMO e LUMO, uma vez que a partir de determinadas intensidades de Campo Elétrico suas energias de GAP apresentaram reduções significativas.

Agradecimentos

Agradecemos ao apoio dado por: Universidade Federal do Pará, PROEX, CAPES e CNPQ.

Referências

Cerón-Carrasco, J.P. Jacquemin, D. Electric field induced DNA damage: an open door for selective mutations. Chemical Communications, P.7567–7670, 7 de Set. 2013.

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