Adsorção de L-Cisteína em Pirrotita

O estudo centraliza-se na interação entre o aminoácido L-cisteína (Cys) e a pirrotita (FeS), um mineral crucial na teoria do mundo de ferro-enxofre, proposta por Wächtershäuser, para entender a origem da vida. A pesquisa utilizou um meio reacional de água do mar sintética (pH 2), simulando condições prebióticas, e investigou a reação em quatro temperaturas distintas (15°C, 25°C, 35°C e 45°C) e diferentes concentrações de Cys. O objetivo principal foi analisar a cinética da reação e a formação de cistina, um dímero de Cys, a partir da oxidação da cisteína. O trabalho se baseia em pesquisas prévias de Benetoli et al (2007 e 2009) que demonstraram a capacidade da Cys em tornar a superfície da pirita eletricamente negativa e produzir cistina via oxidação química na presença de pirrotita. A reação de oxidação, 2Cys → Cistina↓ (x) + Cistina (sol) (1-x) + 2H⁺ + 2e⁻, demonstra a transferência de elétrons para a superfície do mineral. Esta reação e a teoria do mundo de ferro-enxofre, que postula que o metabolismo químico de superfície poderia ter surgido e evoluído a partir da superfície de minerais contendo ferro e enxofre, formam a base teórica desta investigação.

A metodologia empregou reagentes comercialmente disponíveis (Sigma-Aldrich, Merck, Acros e Vetec), com a p-benzoquinona (PBQ) purificada por sublimação, enquanto a Cys e a pirrotita foram adquiridas da Vetec e Merck, respectivamente. Soluções de Cys em água do mar artificial (pH 2) foram preparadas em diferentes concentrações (0,5 g L⁻¹, 0,75 g L⁻¹, 1,0 g L⁻¹, e 1,5 g L⁻¹). A cinética de adsorção foi avaliada em um banho termostático com agitação, adicionando 0,2 g de pirrotita (< 0,105 mm) a cada solução. A concentração de Cys foi monitorada ao longo do tempo por espectrofotometria UV-Vis utilizando o método da PBQ (curva de calibração em 485 nm). Para a análise do precipitado formado após a reação, a técnica de espectroscopia de infravermelho (FT-IR) foi utilizada, criando pastilhas de KBr com o precipitado, pirrotita, Cys pura e cistina pura para comparação, permitindo a identificação do produto da reação. A utilização de um banho termostático com a marca Centauro e um vórtex da marca Warnnest VX-38 são mencionadas no texto como equipamentos utilizados.

A análise da cinética de adsorção, utilizando modelos de ordem zero, pseudo-primeira e segunda ordem, revelou que o modelo de pseudo-primeira ordem se ajustou melhor aos dados experimentais. A equação de Lagergren foi aplicada para determinar a constante de velocidade (kads) em função da temperatura. Observou-se que, na faixa de 25°C a 45°C, a velocidade de reação aumentou com o aumento da temperatura, um comportamento esperado. No entanto, em 15°C, um comportamento anômalo foi observado: a velocidade da reação foi significativamente maior do que em temperaturas mais elevadas, indicando uma possível não-conformidade com a cinética de Arrhenius em todas as faixas de temperatura. A análise de Arrhenius, feita para uma concentração inicial de Cys de 1,5 g L⁻¹, revelou duas regiões: uma com energia de ativação positiva (+23,4 kJ mol⁻¹) na faixa de 25-45°C e outra com energia de ativação negativa (-81,5 kJ mol⁻¹) na faixa de 15-25°C. Os espectros de FT-IR do precipitado apresentaram excelente sobreposição com o espectro da cistina pura, fornecendo forte evidência da formação de cistina como produto principal da reação. Um perfil de reação proposto, com a adsorção da Cys na pirrotita como etapa determinante da velocidade, foi sugerido para explicar os resultados obtidos, culminando em uma lei de velocidade de pseudo-primeira ordem em relação à Cys.

Os reagentes e solventes utilizados foram adquiridos comercialmente de fornecedores como Sigma-Aldrich, Merck, Acros e Vetec. A maioria foi usada sem purificação prévia, exceto a p-benzoquinona (PBQ), da Sigma-Aldrich, que foi purificada por sublimação. A L-cisteína (Cys) e a pirrotita, reagentes principais do estudo, foram obtidas, respectivamente, da Vetec e da Merck. A especificação da origem dos reagentes é importante para a reprodutibilidade do experimento, garantindo a qualidade e pureza dos materiais utilizados, influenciando diretamente a confiabilidade dos resultados obtidos. A escolha de fornecedores reconhecidos garante padrões de qualidade e permite que outros pesquisadores reproduzam a experiência com facilidade, contribuindo para a validação dos achados. A purificação da PBQ por sublimação demonstra a atenção aos detalhes e a busca por precisão na análise espectrofotométrica.

Uma solução estoque de Cys (1,5 g L⁻¹) foi preparada dissolvendo-se 0,375 g de cloridrato de Cys em água do mar artificial, ajustando o pH para 2 com adição de HCl e completando o volume para 250 mL. A partir desta solução estoque, foram preparadas outras soluções com concentrações menores (0,5 g L⁻¹, 0,75 g L⁻¹, e 1,0 g L⁻¹) em balões volumétricos de 50 mL. O uso de água do mar artificial simula as condições prebióticas do estudo, imitando o ambiente oceânico de 4 bilhões de anos atrás. O controle preciso da concentração de Cys é fundamental para a análise cinética da reação, permitindo a investigação da influência da concentração inicial na velocidade de reação e nos parâmetros cinéticos determinados. O ajuste de pH para 2 é crucial para as condições prebióticas simuladas, influenciando a ionização da Cys e a interação com a pirrotita.

Para determinar a concentração de Cys durante os experimentos, utilizou-se o método da PBQ. Amostras com concentrações conhecidas de Cys receberam ácido acético e PBQ/DMSO, foram homogeneizadas em um vórtex (Warnnest VX-38) e aquecidas a 37°C em um banho termostático (marca Centauro) por 10 minutos. Após a homogeneização, as amostras foram analisadas por espectrofotometria na região do UV-Vis. Uma curva de calibração em triplicata foi construída, com o comprimento de onda máximo (λmáx) determinado em 485 nm. Este método quantitativo permitiu o acompanhamento da concentração de Cys ao longo do tempo, fornecendo dados essenciais para a análise cinética. O uso de um vórtex e banho termostático demonstra o rigor metodológico do estudo. A construção de uma curva de calibração em triplicata aumenta a confiabilidade dos resultados, diminuindo possíveis erros experimentais. A determinação do comprimento de onda máximo garante a maior sensibilidade possível na análise espectrofotométrica.

A cinética de adsorção foi estudada em água do mar artificial (pH 2,0) com quatro concentrações iniciais de Cys (0,5 g L⁻¹, 0,75 g L⁻¹, 1,0 g L⁻¹, e 1,5 g L⁻¹). Em cada frasco contendo 0,2 g de pirrotita (granulometria < 0,105 mm), foram adicionadas as soluções de Cys. Os experimentos foram conduzidos em quatro temperaturas diferentes (15°C, 25°C, 35°C e 45°C) em um banho termostático com agitação mecânica. Uma solução branco, contendo apenas água do mar em pH 2,0, serviu como controle. A variação de temperatura permitiu o estudo do efeito da temperatura na velocidade de reação e na determinação da energia de ativação. O uso de diferentes concentrações iniciais de Cys permitiu a investigação do efeito da concentração na cinética da reação. A inclusão de um controle assegura a confiabilidade dos resultados obtidos, garantindo que a mudança de concentração ao longo do tempo seja resultado da reação com a pirrotita. O tamanho das partículas de pirrotita (< 0,105 mm) indica a importância do controle de granulometria para a superfície de contato e para reprodutibilidade dos resultados.

Após a reação, o precipitado foi seco em estufa e analisado por espectroscopia de infravermelho (FT-IR). Para preparar as amostras para a análise FT-IR, aproximadamente 1 mg de amostra (precipitado, pirrotita pura, Cys pura e cistina pura) foi misturado com 200 mg de brometo de potássio (KBr) e moído finamente. A mistura resultante foi prensada em pastilhas sob 10 toneladas para a análise. A comparação dos espectros de FT-IR do precipitado com os espectros das substâncias puras permitiu a identificação do produto da reação e a confirmação da hipótese de formação de cistina. A metodologia para preparação das pastilhas de KBr para análise FT-IR é um procedimento padrão para análise de sólidos em espectroscopia de infravermelho, utilizando a técnica de pastilhamento. A utilização de espectroscopia de infravermelho (FT-IR) proporcionou uma análise estrutural detalhada, permitindo a comparação direta dos espectros do precipitado obtido com substâncias puras (pirrotita, Cys e cistina). O método de preparação das pastilhas, a partir da mistura de amostra com KBr, seguida de prensagem, assegura a uniformidade da amostra e possibilita a obtenção de espectros de boa qualidade.

A análise cinética da reação entre a L-cisteína (Cys) e a pirrotita foi realizada utilizando modelos cinéticos de ordem zero, pseudo-primeira ordem e segunda ordem. O modelo de pseudo-primeira ordem, baseado na equação de Lagergren, apresentou a melhor correlação com os dados experimentais, sendo adotado para determinar as constantes de velocidade (kads) em função da temperatura. Observações interessantes foram feitas sobre a influência da temperatura na velocidade da reação. No intervalo de 25°C a 45°C, o aumento da temperatura resultou em um aumento da velocidade de reação, como esperado. Entretanto, um comportamento anômalo foi observado a 15°C, onde a velocidade da reação foi maior do que em temperaturas superiores. Este comportamento inesperado sugere que a reação não segue um comportamento tipo Arrhenius em todas as faixas de temperatura testadas, abrindo possibilidades para investigações mais aprofundadas sobre o mecanismo reacional e a influência de fatores adicionais na cinética da reação. Para a concentração inicial de Cys de 1,5 g L⁻¹, o tempo para o consumo total de Cys diminuiu de 137 minutos a 25°C para 81 minutos a 45°C, porém a 15°C esse tempo foi menor que a 25°C. A duplicata realizada confirmou esse comportamento inesperado.

O gráfico de Arrhenius, construído a partir dos dados de cinética, revelou dois regimes distintos na reação entre a Cys e a pirrotita, dependendo da faixa de temperatura estudada. Na faixa de 25°C a 45°C, a inclinação do gráfico indicou uma energia de ativação positiva (+23,4 kJ mol⁻¹), consistente com uma reação onde a velocidade aumenta com a temperatura. Já na faixa de 15°C a 25°C, a inclinação do gráfico resultou em uma energia de ativação negativa (-81,5 kJ mol⁻¹), sugerindo que, nesta faixa, a velocidade da reação diminui com o aumento da temperatura. Este comportamento complexo, com mudança no sinal da energia de ativação, aponta para diferentes mecanismos de reação ou diferentes etapas controladoras de velocidade em diferentes intervalos de temperatura. Um perfil de reação em duas etapas foi proposto para explicar esses resultados, envolvendo a adsorção da Cys na pirrotita e a subsequente formação da cistina. A interpretação desses resultados indica a necessidade de modelos mais complexos para descrever adequadamente a cinética da reação em estudo, considerando a influência de múltiplos fatores sobre a velocidade da reação.

A análise por espectroscopia no infravermelho (FT-IR) foi crucial para a caracterização do precipitado obtido após a reação. O espectro do precipitado foi comparado com os espectros de FT-IR da pirrotita pura, da L-cisteína (Cys) pura e da cistina pura. A comparação revelou uma excelente correspondência entre o espectro do precipitado e o espectro da cistina pura, indicando que o produto principal da reação é a cistina. Este achado confirma a hipótese de formação de um dímero de Cys, através de uma ligação dissulfeto, em consequência da oxidação da Cys na superfície da pirrotita. A análise detalhada do espectro de infravermelho da Cys pura, em sua forma de cloridrato, permitiu a identificação das principais bandas de absorção associadas às ligações O-H, N-H, C=O, e C-S. A ausência da banda de estiramento S-H (usualmente fraca e não facilmente detectável em soluções diluídas) no espectro do precipitado, e a confirmação da ligação dissulfeto, fornecem evidências adicionais para a formação da cistina. Os espectros de FT-IR suportam a conclusão de que a cistina é o produto principal da reação e oferecem um suporte experimental sólido para a proposta de um mecanismo reacional.

O estudo confirmou a formação de cistina a partir da reação entre L-cisteína (Cys) e pirrotita, corroborando a teoria do mundo de ferro-enxofre para a origem da vida. A formação de cistina, um dímero de Cys, demonstra a possibilidade de formação de moléculas mais complexas a partir de unidades mais simples em condições prebióticas. A análise por espectroscopia de infravermelho (FT-IR) confirmou a presença de cistina no precipitado obtido. Os resultados apoiam a hipótese de que superfícies minerais, como a pirrotita, poderiam ter desempenhado um papel catalítico na síntese de biomoléculas essenciais ao surgimento da vida, como proposto pela teoria de Wächtershäuser. O estudo evidencia a importância da compreensão das reações em superfícies minerais para elucidar os processos que levaram à origem da vida na Terra. A formação de cistina representa um passo importante na complexificação molecular, fundamental para o desenvolvimento de sistemas biológicos.

A cinética da reação seguiu um modelo de pseudo-primeira ordem, com a adsorção da Cys na pirrotita sendo a etapa determinante da velocidade. A energia de ativação apresentou um comportamento não-Arrhenius, com valores positivos (+23,4 kJ mol⁻¹) na faixa de 25-45°C, indicando aumento na velocidade com a temperatura, e valores negativos (-81,5 kJ mol⁻¹) na faixa de 15-25°C, sugerindo diminuição da velocidade com o aumento da temperatura. Este comportamento anômalo requer investigações adicionais para uma compreensão completa do mecanismo reacional. A observação de uma energia de ativação negativa sugere a existência de um processo complexo, possivelmente envolvendo etapas endotérmicas e exotérmicas, influenciadas por fatores além da temperatura, tais como a própria adsorção do reagente sobre a superfície do mineral, o qual influencia diretamente a velocidade da reação e o comportamento não-Arrhenius observado. A dependência da velocidade da reação com a temperatura difere significativamente dependendo da faixa de temperatura estudada, destacando a complexidade do sistema reacional.

Os resultados deste trabalho contribuem para a compreensão dos processos químicos que poderiam ter ocorrido na Terra primitiva e levado ao surgimento da vida. A formação de cistina a partir de cisteína e pirrotita, em condições simuladas de ambiente prebiótico, demonstra a viabilidade de reações de formação de biomoléculas em superfícies minerais. A análise cinética, em conjunto com os dados espectroscópicos, sugere um mecanismo de reação complexo, influenciando a evolução molecular. A constatação de um comportamento não-Arrhenius ressalta a complexidade dos sistemas químicos prebióticos e demonstra a necessidade de se considerar múltiplos fatores para compreensão das reações que levaram à origem da vida. A pesquisa contribui para o conhecimento da química prebiótica, especificamente no contexto do mundo de ferro e enxofre, fornecendo evidências experimentais para os processos de evolução molecular e enfatizando a importância das interações sólido-líquido em condições prebióticas.