Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-AQPVCE
Type: Tese de Doutorado
Title: Estudo computacional do óxido nítrico em solução: dinâmica molecular, potenciais de redução e fotoliberação por complexos de ru-nitrosil
Authors: Mateus Fernandes Venancio
First Advisor: Willian Ricardo Rocha
First Referee: Luiz Antônio Sodré Costa
Second Referee: Clebio Soares Junior
Third Referee: Helio Anderson Duarte
metadata.dc.contributor.referee4: Rita de Cassia de Oliveira Sebastiao
Abstract: Nas últimas três decadas, muito esforço tem sido empregado na compreensão de processos biológicos nos quais há a participação do Óxido Nítrico (NO). Esse interesse justifica-se em decorrência das diversas funções biológicas atribuídas a essa molécula, conhecida como o menor mensageiro biológico. Dentre os desafios associados ao estudo do NO podemos destacar o seu caráter não inocente, como ligante, e a interconversão do NO à sua forma protonada HNO em solução aquosa. NO e HNO possuem propriedades biológicas que se sobrepõem em alguns casos e, acredita-se que muitos dos efeitos biológicos associados ao NO são na verdade devido à interconversão do NO em HNO e vice-versa. Nesta Tese foram utilizados cálculos de estrutura eletrônica, termodinâmica estatística e Dinâmica Molecular ab initio, no estado fundamental e em estados ex-citados, para o estudo de processos relacionados com a Dinâmica do Óxido Nítrico em solução, que nos permitiram dar uma contribuição importante para o entendi-mento de alguns aspectos relacionados à Química do NO em meio biológico. Estes estudos foram (i) dinâmica do NO, em seus diferentes estados de oxidação, em solução; (ii) determinação da energia livre de Gibbs de solvatação do HNO e do potencial de redução do NO a nitroxil (2N0',H+/1HNO) em solução e, por fim, (iii) dinâmica do processo de fotoliberação do NO em complexos metálicos, exemplificado pelo complexo [RuCl5(NO)]2-. A Dinâmica molecular ab Mito do NO em solução aquosa revelou que o NO em seus diferentes estados de oxidação apresentam comportamentos bem diferentes quando em solução. O íon nitrosônio é rapidamente consumido dando origem ao íon nitrito (NO2-). O óxido nítrico permanece em equilíbrio com o íon hidroxil, oriundo do processo de auto ionização da água, dando origem ao radical ânion 2HONO.-. O íon nitroxil, por possuir estado fundamental tripleto, enquanto sua forma protonada, HNO, possui estado fundamental singleto, permaneceu inerte em razão da metodologia utilizada realizar a dinâmica molecular apenas em uma superfície eletrônica. A energia de solvatação do HNO foi obtida, pela primeira vez, através de três metodologias diferentes; duas baseadas na teoria de resposta linear e a outra através do modelo de solvatação contínuo COSMO(SMD). Os resultados obtidos através desses modelos mostraram que a energia estimada anteriormente, e que prevaleceu por mais de 10 anos, possui seu valor super estimado. Os resultados obtidos nesta Tese mostram valores para a energia de solvatação no mínimo 5 vezes menores que o valor estimado presente na literatura. Além disso, o processo de redução do NO foi calculado para os padrões Físico-Químicos e fisiológicos. Ambos os resultados obtidos mostram significados físicos opostos ao que se acreditava em decorrência do valor super estimado para a energia livre de solvatação. Dessa forma, os resultados obtidos aqui mostram um processo favorável à redução do NO através de uma transferência acoplada de próton e elétron, ao contrário dos resultados estimados na literatura recente. A partir dos resultados obtidos na dinâmica molecular ab initio do NO, foi proposto um novo caminho para a redução do óxido nítrico ao íon nitroxil através do radical ânion formado observado na dinâmica molecular como intermediário. Os resultados obtidos neste trabalho mostraram também um potencial de redução favorável tanto no estado padrão Físico-Químico quanto no estado padrão fisiológico. A dinâmica de fotoliberação do NO no estado excitado, a partir do com-plexo [RuCl5(N0)r, foi avaliada Duas metodologias foram empregadas para a dinâmica molecular ab initio: (i) o complexo [RuC15(NO)]2-, tratado no nível B3LYP/SBKJC, mais 50 moléculas de água tratadas com a metodologia EFP e (ii) o complexo [RuC15(NO)]- e as 10 moléculas de água mais próximas ao complexo no nível B3LYP/SBKJC e as 40 moléculas de água restantes tratadas com a metodologia EFP. Os resultados do modelo (i) mostram a liberação rápida (30 fs) do ligante NO em sua forma radicalar, NO°. Os resultados obtidos para o modelo (ii) mostram apenas o rompimento e formação das ligações Ru-Cl ao longo da dinâmica. Esses resultados mostram a influência no tratamento explícito do solvente, uma vez que a presença dessas moléculas na porção ab initio do sistema causam alterações significativas nas transições eletrônicas e, consequentemente, uma variação nos efeitos investigados.  
Abstract: During the last three decades, much eort has been devoted to understanding biological processes in which Nitric Oxide (NO) is involved. This interest is justied by the various biological functions attributed to this molecule, known as the smallest biological messenger. Among the challenges associated with the study of NO in solution, we may emphasize it's non-innocent character, as ligand, and theinterconversion of NO to its protonated form HNO in aqueous solution. NO and HNO has overlapping biological properties and, in some cases, the biological effects associated with NO can indeed be due to the interconversion of NO in HNO and vice-versa. In this Thesis electronic structure calculations, statistical thermodynamics and ab initio molecular dynamics, in the ground and excited states, were employed tostudy processes related to the dynamics of nitric oxide in solution, that allowed us to contribute to the understanding of some aspects of the NO chemistry in biological medium. Nitric Oxide (NO) was investigated in three dierent aspects: (i) Dynamics of NO, in its dierent formal oxidation states, in solution (ii) Determination of the Gibbs Free Energy of solvation of nitroxyl (HNO) and the protoncoupled electron transfer reduction potential of 2NO. to 1HNO (2NO.,H+/1HNO) in solution and (iii) the dynamics of photorelease of NO from the transition metalcomplex, using the complex [RuCl5(NO]2- as model. Ab Initio Molecular Dynamics calculations revealed a rapidly consumption of nitrosonium (NO+) cation, yielding the nitrite ion (NO2-). Ab Initio Molecular Dynamics of NO shows an equilibrium between Nitric Oxide and Hidroxyl ion, generated through the water self-ionization, generating the radical anion specie 2HONO.-. Nitroxil Ion are not involved in any reaction during the simulated time. This is directly related to its triplet ground state and the singlet ground state of the protonated form, HNO. The methods used in this works allows only events in a single potential energy surface to occurs. The Gibbs free energy of solvation of the nitroxyl species, HNO, was obtained through three dierent methods, two of them based on Linear Response Theory and the last one based on the continuum model COSMO(SMD). Our results show values at least five times smaller than the estimated and reference value in literature. The proton-coupled electron transfer reduction of 2NO. to 1HNO (2NO.,H+/1HNO) in aqueous solution was obtained and indicates a favorable process, in both physical-chemical and physiological conditions. The dierence between the values calculated here and the accepted in literature is strictly related to the description of the solvation free Energy and indicates a favorable Proton-Coupled Electron Transfer. Furthermore, a new route for the reduction process of NO to HNO was proposed, based on the intermediate radical anion 2HONO.-,observed in NO Ab Initio Molecular Dynamics. Our results also indicates a spontaneous process for the reduction when the radical anion is involved. The dynamics of photorelease of the NO ligand from an excited state of the [RuCl5(NO]2- in the excited state was investigated. Two models were employed: (i) [RuCl5(NO]2- complex treated at the B3LYP/SBKJC level surrounded by 50 water molecules treated in EFP formalism and (ii) [RuCl5(NO]2- and the 10 nearest water molecules at B3LYP/SBKJC surrounded by 40 water molecules at EFP level. The First model revealed a rapid liberation of NO in its radical form NO0, which occurs around 30 fs. The second model employed showed only a sequence of breaking and formation of Ru-Cl bond. These results show how the explicit treatment of the solvent may inuence the electronic transitions and also the dynamics of photorelease.
Subject: Espectroscopia de ultravioleta
Físico-química
Oxído nítrico
Complexos metálicos de transição
Rutenio
Química bioinorgânica
Redução (Química)
Dinamica molecular
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-AQPVCE
Issue Date: 19-Apr-2017
Appears in Collections:Teses de Doutorado

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
tese_mateus_versao_final_18_jul.pdf7.66 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.