7/24/2019 30001550

1/6

ARTIGOS

25QUMICA117 - ABR/JUN10

RESSONNCIAMAGNTICANUCLEAR FERRAMENTAVERSTILEMQUMICAFARMACUTICAEIMAGIOLOGIAMDICA

ARessonncia Magntica Nuclear uma tcnica analtica verstil que pode ser utilizadadesde a anlise de compostos qumicos simples elucidao estrutural e investigao dadinmica de protenas e imagiologia de rgos de seres vivos de um modo no invasivo eno destrutivo. O presente artigo pretende fornecer aos leitores uma breve introduo te-rica sobre esta tcnica e apresentar algumas aplicaes da mesma nas reas da QumicaFarmacutica e Imagiologia Mdica.

* Centro de Qumica Estrutural, Instituto Superior Tcni-co, Universidade Tcnica de Lisboa

Av. Rovisco Pais, 1, 1049-001 Lisboa, Portugal E-mail: marta.abrantes@ist.utl.pt

Centro de Qumica Estrutural, Institut

KONSTATINLUZYANINEMARTAABRANTES*

O QUEARESSONNCIAMAGNTICANUCLEAR?

A Ressonncia Magntica Nuclear

(RMN) uma tcnica analtica que

permite obter informao estrutural e

dinmica sobre a matria, e que se

baseia na deteco das propriedades

magnticas dos ncleos (Figura 1)

[13].

Foi descoberta em 1945 por Bloch e

Purcell (Prmios Nobel da Fsica em

1952) na sequncia dos trabalhos de

Isidor I. Rabi (Prmio Nobel da Fsica

em 1944). Ao longo do tempo, muitos

outros investigadores contriburam de

forma decisiva para o desenvolvimen-

to e para a aplicao desta tcnica,

como se pode constatar pela lista de

investigadores que foram laureados

com o Prmio Nobel por contribuies

para a RMN (Tabela 1)[4].

1943 Otto Stern, EUAPrmio Nobel da Fsica "pelas suas contribuies nadescoberta do momento magntico do proto.

1944 Isidor I . Rabi, EUAPrmio Nobel da Fsica "pelo seu mtodo de ressonnciapara registar as propriedades magnticas de ncleosatmicos.

1952Felix Bloch, EUAEdward M. Purcell, EUA

Prmio Nobel da Fsica pela descoberta de novos mtodospara medies magnticas nucleares precisas e pelasrespectivas descobertas associadas.

1991 Richard R. Ernst, SuiaPrmio Nobel da Qumica pelas suas contribuies parao desenvolvimento da metodologia da espectroscopia deRMN de alta resoluo.

2002 Kurt Wthrich, SuiaPrmio Nobel da Qumica "pelos seus desenvolvimentos daespectroscopia de RMN para a determinao tridimensionalda estrutura de macromolculas biolgicas em soluo.

2003Paul C. Lauterbur, EUAPeter Mansfield, UK

Prmio Nobel da Fisiologia ou Medicina "pelas descobertasrelativas a imagiologia de ressonncia magntica.

A RMN explora as propriedades mag-

nticas dos ncleos dos tomos. Os

ncleos dos tomos podem ser vistos

como pequenos pies com carga que

rodopiam em torno do seu eixo, ge-

rando o seu prprio pequeno campo

magntico (Figura 2).

Figura 1 Espectrmetro de RMN (500 MHz) noInstituto Superior Tcnico (IST/UTL) pertencente

Rede Nacional de Ressonncia Magntica

Nuclear (PTNMR). Para mais informaes sobrea rede consultar o site http://cqe.ist.utl.pt/networks/nmr/index_nmr.php

Apesar de existirem ncleos que no

exibem qualquer campo magntico

(por exemplo, o 12C), a maior par-

te dos ncleos comportam-se como

pequenos magnetes (por exemplo, o1H ou o 13C).

Normalmente, estes ncleos esto

dispostos de forma aleatria (Figura

3).

No entanto, quando colocados sob a

influncia de um forte campo magnti-

co externo, so obrigados a alinhar-se

em orientaes especficas.

Estas orientaes alinhadas com o

campo magntico caracterizam-se por

terem diferentes nveis energticos.

Tabela 1 Prmios Nobel relacionados com a Ressonncia Magntica Nuclear

Figura 2 Representao de um ncleo arodopiar como um pio ( esquerda), que se

comporta como um magnete tendo um plo sule um plo norte ( direita)

7/24/2019 30001550

2/6

26 QUMICA117

Quando expostos a uma radiao

electromagntica na frequncia rdio,

os ncleos recebem energia e so

obrigados a saltar para uma outra

orientao (de nvel energtico supe-rior) (Figura 4). Ao retomarem a sua

orientao original os ncleos liber-

tam energia, emitindo uma radiao

caracterstica. Este fenmeno desig-

na-se por ressonncia magntica nu-

clear e d o nome a esta tcnica de

caracterizao. Diz-se tambm que a

RMN uma tcnica espectroscpica,

uma vez que faz uso de radiao elec-

tromagntica (neste caso na frequn-

cia rdio).

Com base neste fenmeno, numa

experincia de RMN sujeita-se uma

amostra a um intenso campo mag-

ntico (Figura 5). Seguidamente,

expe-se a amostra a um varrimen-to de radiao electromagntica na

frequncia rdio. No momento em

que a frequncia do aparelho corres-

ponde exactamente frequncia de

ressonncia caracterstica do ncleo

(que se designa por frequncia de

Larmor), os ncleos mudam para ou-

tra orientao. Desligando a fonte de

radiao electromagntica, os ncle-

os retomam a sua orientao original

emitindo uma radiao que origina

Figura 4 O fenmeno da ressonncia magntica nuclear. Quando ncleos expostos a um campo magntico intenso (seta a cheio) so tambm expostosa radiao electromagntica na frequncia rdio (seta ondulada) ( esquerda), os ncleos saltam para outra orientao (ao centro). Ao retomarem a sua

orientao original emitem uma radiao caracterstica

Figura 3 Os ncleos esto normalmente dispostos de forma aleatria ( esquerda). Quando sujeitosa um intenso campo magntico (aqui representado pela seta a cheio), so obrigados a alinhar-se em

orientaes especficas que podem ser paralelas ou anti-paralelas ao campo magntico aplicado. Estasorientaes so determinadas pelo estado energtico do ncleo

um sinal elctrico. Aps tratamento

matemtico (transformao de Fou-

rier - FT) possvel traar um grfico

da intensidade do sinal em funo da

frequncia aplicada a que chamamos

espectro de RMN.

As frequncias de ressonncia dosncleos dependem, no s da nature-

za do ncleo em estudo, mas tambm

do ambiente qumico, aparecendo em

stios diferentes do espectro de RMN.

As frequncias de ressonncia so

expressas numa unidade que se de-

signa por desvio qumico (e expres-

sa em ppm). Este desvio qumico indi-

ca a localizao de um sinal de RMN

em relao a um padro, que por con-

veno tem um desvio qumico igual

a 0 ppm.

Assim sendo, a RMN permite deter-

minar o nmero e o tipo de grupos

qumicos num composto, sendo des-

ta forma uma tcnica valiosa para a

obteno de informao sobre a es-

trutura de molculas. Nas figuras 6 e

7 so apresentados, a ttulo de exem-

plo, espectros de RMN de 1H e de 13C

do etanol.

Figura 5 Aamostra a analisar colocada no interior do aparelho dentro de um tubo e diluda com solvente deuterado (a utilizao de um solvente

deuterado permite minimizar os sinais que provm deste mesmo solvente). A amostra contm ncleos activos, dispostos de forma aleatria. Aps aplicaode um campo magntico (esttico), os ncleos alinham-se na direco do campo magntico. Um emissor de radiaes electromagnticas na frequnciardio emite uma sequncia de ondas com diferentes frequncias. Quando a frequncia de ressonncia do ncleo (tambm designada por frequncia deLarmor) atingida, os ncleos saltam para outra orientao. Ao retornarem a sua orientao original emitem uma radiao que detectada originando

um sinal elctrico (designado por sinal FID). O tratamento matemtico deste sinal, aplicando a transformada de Fourier (FT), origina um espectro de sinal emfuno da frequncia aplicada com os sinais correspondentes aos ncleos em estudo, que se designa por espectro de RMN

7/24/2019 30001550

3/6

27QUMICA117 - ABR/JUN10

PARA

QUE

SE

USA

A

RMN?A espectroscopia de RMN hoje usa-

da de forma generalizada por todos

os que se dedicam a estudar directa

ou indirectamente compostos ou fe-

nmenos qumicos. A espectroscopia

de RMN uma tcnica analtica sofis-

ticada e poderosa que tem aplicaes

em diferentes reas. A diversidade

de aplicaes s foi possvel devido

ao contnuo desenvolvimento de di-

ferentes tcnicas que se baseiam no

fenmeno de RMN. Este desenvol-

vimento permitiu que ao longo dos

tempos cada tcnica fosse optimizada

de acordo com as necessidades da

respectiva aplicao. A RMN pode serutilizada tanto para a anlise qualita-

tiva como quantitativa e as suas apli-

caes vo desde a anlise de com-

postos qumicos simples a seres vivos

intactos, de um modo no invasivo e

no destrutivo.

Os campos mais comuns de aplica-

o da RMN incluem:

1) Anlise estrutural aplicada qumi-

ca e biologia;

2) Imagiologia mdica: tomografia de

ressonncia magntica nuclear ou

imagiologia de ressonncia magn-

tica nuclear (maior rea de aplica-

o);

3) Prospeco geofsica (por exem-plo, de petrleo): geotomografia de

ressonncia magntica nuclear.

O presente artigo vai focar-se sobre

as duas primeiras aplicaes.

ANLISEESTRUTURALAPLICADAQU-MICAEBIOLOGIA

A utilizao da espectroscopia de

RMN est muito associada determi-

nao da estrutura molecular em so-

luo mas os estudos efectuados em

estado slido so tambm frequentes.

A RMN pode ser aplicada no s na

elucidao estrutural de pequenas e

Figura 7 Espectro de RMN de 13C de etanol (CH3CH

2OH) (diludo em clorofrmio deuterado) que permite detectar os ncleos de 13C. So visveis trs

conjuntos de sinais. Dois destes (a cerca de 18.5 e 58.6 ppm) correspondem aos dois carbonos presentes no etanol. O conjunto de sinais a 77 ppm provmdo solvente deuterado

Figura 6 Espectro de RMN de 1H de etanol (CH3CH

2OH) (diludo em clorofrmio deuterado) que permite detectar os ncleos de 1H. So visveis trs sinais.

Dois destes sinais (um quadrupleto a cerca de 3.7 ppm e um tripleto a 1.3 ppm) correspondem a grupos protes que tm um mesmo ambiente qumico

(protes dos grupos CH2 e CH3). O sinal a 1.6 ppm corresponde aos protes da gua presente no clorofrmio deuterado. O proto do grupo OH do etanolno visvel porque est sujeito a uma troca com os protes da gua. O sinal relativo ao solvente deuterado aparece fora da escala apresentada

7/24/2019 30001550

4/6

28 QUMICA117

mdias molculas, como tambm no

estudo de macromolculas, como pro-

tenas ou cidos nucleicos. Para alm

de ser muito til na elucidao da

estrutura molecular, a RMN pode ser

tambm usada para estudar proces-

sos dinmicos de molculas e para

estudar interaces/reaces entremolculas.

As experincias mais comuns de es-

pectroscopia de RMN baseiam-se na

observao directa de ncleos de 1H

em soluo. As caractersticas favor-

veis deste ncleo (elevada abundn-

cia natural, elevada razo giromag-

ntica) possibilitam medies de alta

sensibilidade e baixo tempo de aquisi-

o para este ncleo e so respons-

veis pelo vasto nmero de aplicaes

desta tcnica que vai desde compos-

tos muito simples com baixo peso mo-

lecular at protenas.

Por exemplo, no espectro de 1H do

etanol (Figura 6) so obtidos trs

sinais com 3 desvios qumicos dife-

rentes: um para o grupo CH3, o outro

para o grupo CH2e um ltimo para o

grupo OH. Um grupo CH3tem tipica-

mente um desvio qumico por volta

de 1 ppm, um grupo CH2ligado a um

grupo OH tem um desvio qumico porvolta de 4 ppm e um grupo OH tem

um desvio qumico entre os 2 e os 3

ppm dependendo do solvente utiliza-

do na experincia. O formato do sinal

e a sua rea do mais informao

sobre a estrutura qumica. A rea do

sinal est relacionada com o nmero

de protes relativos a um sinal. No

exemplo em questo, o sinal do grupo

CH2tem uma rea de integrao que

equivale a 2/3 do tamanho do sinal do

grupo CH3

. O formato dos sinais (sin-

guletos, dupletos, tripletos, etc.) est

essencialmente relacionado com a vi-

zinhana de ncleos do mesmo tipo.

O mesmo tipo de raciocnio pode ser

aplicado para os outros tipos de ncle-

os que so frequentemente estudados

por RMN, tais como, por exemplo, 13C,15N, 31P, 19F, 195Pt. No entanto, impor-

tante mencionar que a relao entre

a rea de um sinal e o nmero de n-

cleos a que corresponde s possvel

para espectros de RMN de 1H.

Uma aplicao interessante da es-

pectroscopia de RMN consiste em

estabelecer a pureza isomrica de es-

pcies farmacologicamente activas.

Por exemplo, a cisplatina, frmaco

antitumoral (Figura 8A), um comple-

xo metlico que contm platina como

centro metlico. Um dos principais

problemas associados aplicao

biolgica destes complexos metlicosest associado ao facto de estes com-

plexos poderem existir sob forma de

vrios ismeros, por exemplo, cis- e

transplatina(Figura 8A e B, respecti-

vamente).

Para aplicaes farmacolgicas os

compostos devem ser utilizados em

formas isomericamente puras j que

diferentes ismeros podem ter efeitos

teraputicos/txicos muito diversos.

Por essa razo, existe a necessidade

de utilizar mtodos simples e fidedig-

nos para confirmar a pureza destes

compostos. No caso das espcies ba-

seadas em platina pode ser utilizadaa espectroscopia de RMN de 195Pt. O

desvio qumico da 195Pt sensvel

natureza dos tomos doadores liga-

dos platina e ao isomerismo geo-

mtrico. Os desvios qumico da RMN

de 195Pt surgem numa larga escala de

12000 ppm (Tabela 2), o que permite

uma distino clara entre sinais sem

sobreposio dos mesmos.

Composto Desvio qumico, ppm Referncia

Na2PtCl

60 [5]

cis-PtCl2(NH

3)2(cisplatina) (A) 2149 [6]

trans-[PtCl2(NH

3)2] (transplatina) (B) 2145 [6]

trans-[PtCl4{NH=C(OH)Et}

2] (C) 36 [7]

[PtCl2{HOHNCMe

2CMe

2NHOH}] (D) 2492 [8]

O espectro de RMN de 195Pt da cis-platina isomericamente pura origina

um sinal a -2149 ppm relativamente a

Na2PtCl

6(que usado como padro).

A presena do ismero trans(transpla-

tina) e/ou de outros complexos de Pt

origina picos com diferentes desvios

qumicos, podendo desta forma ser

claramente distinguidos da cisplatina.

As tcnicas de RMN que mencion-

mos at agora so tcnicas unidimen-

sionais (1D). Estas tcnicas revelaminformao sobre o tipo e proporo

de ncleos sob observao, mas nem

sempre do informao sobre a forma

como os ncleos esto ligados uns

aos outros, ou seja nem sempre pro-

videnciam informao suficiente so-

bre as ligaes intramoleculares. Esta

informao pode ser obtida usando a

tcnicas de espectroscopia de RMN

multidimensional, tais como, 1H,1H-

COSY, 1H,13C-HMBC, 1H,15N-HSQC.

Na Figura 9 exemplifica-se uma des-

tas tcnicas aplicada identificao

da molcula ciclosporina (representa-

da na Figura 10).

A espectroscopia de RMN tem vindo

a enfatizar a aplicao em sistemas

biomoleculares e tem um papel muito

importante na biologia estrutural. Com

os desenvolvimentos, tanto na meto-

dologia, como na instrumentao nas

ltimas duas dcadas, a RMN tornou-

se numa das mais poderosas tcni-

cas espectroscpicas para a anlisede biomacromolculas, permitindo a

caracterizao de biomacromolcu-

las e seus complexos at 100 kDa.

Tabela 2 Desvio qumico de 195Pt RMN dos compostos seleccionados

Figura 8 Complexos de platina caracterizados por RMN de 195Pt

7/24/2019 30001550

5/6

29QUMICA117 - ABR/JUN10

Em conjunto com a cristalografia de

raios X, a espectroscopia de RMN

uma das duas tecnologias de ponta

para a determinao da estrutura de

biomacromolculas a nvel atmico.

No entanto, a espectroscopia de RMN

o nico mtodo com resoluo at-

mica para a elucidao estrutural debiomolculas em soluo aquosa em

condies prximas das condies

fisiolgicas. Adicionalmente, a RMN

providencia perfis de dinmica e in-

teraces moleculares que contm

informao preciosa sobre o funcio-

namento de biomacromolculas, in-

formao determinante no desenvol-

vimento de novos frmacos.

IMAGIOLOGIAMDICA: IMAGIOLOGIADERESSONNCIAMAGNTICA(IMR)NUCLEAR

A imagiologia de ressonncia mag-

ntica (IRM) uma potente tcnica

de imagiologia mdica que se baseia

essencialmente na espectroscopia deRMN de 1H.

Como descrevemos anteriormente, a

RMN de 1H detecta a presena de n-

cleos de protes.

Assim sendo, o que a IRM permite a

visualizao da concentrao de pro-

tes distribudos nos tecidos.

Muitos dos protes visualizados so

os protes da gua, por isso, a IRM

particularmente adequada para a

imagiologia de tecidos moles, tais

como o crebro ou a medula ssea

(Figura 11).

Os ossos, no possuindo tanta guae, por isso, protes, emitem um sinal

muito mais fraco aparecendo muito

mais escuros.

Apesar da resoluo espacial da IRM

no ser to boa como a do raio-X con-

vencional, a sua resoluo de con-

traste bastante melhor.

Figura 9 Espectro de RMN de 1H,13C-HMBC da ciclosporina. As linhas de interseco (que aparecem como pequenos crculos) correspondema carbonos e protes que esto a duas ou trs ligaes uns dos outros mas no directamente ligados entre si

Figura 10 Estrutura de ciclosporina

Figura 11 Exemplo de uma IRM da cabea.Imagem preparada pelos autores a partir deimagem animada de Dwayne Reed (licena

Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0Unported)

7/24/2019 30001550

6/6

30 QUMICA117

A figura 12 ajuda a visualizar o fen-

meno por detrs da IRM [9]. Na RMN

de 1H sujeita-se uma amostra (e desta

forma os seus protes) a um intenso

campo magntico homogneo e, de

seguida, a uma radiao com frequn-

cia rdio (tal como descrevemos ante-

riormente). Como aplicamos um cam-

po magntico igual a toda a amostra

(esttico) e a frequncia do sinal dos

protes depende deste campo magn-

tico, todos os protes com as mesmas

caractersticas (ou ambiente qumico)

originam espectros com um s sinal.

Este sinal revela a presena de pro-

tes mas no d informao sobrea sua localizao. Na IRM aplica-se

a um tecido um campo magntico

com um gradiente calibrado. Com o

aumento do campo magntico (da

esquerda para a direita) a frequncia

emitida pelos ncleos (aps exposio

rdio frequncia) aumenta tambm

da esquerda para a direita na amos-

tra. Ou seja, para duas zonas com o

mesmo tipo de protes so emitidos

dois sinais a diferentes frequncias.

Este o princpio para a localizao

dos protes. Na figura 12 s est es-

quematizada a localizao ao longo

de um eixo horizontal. No entanto,

se for utilizado um campo magntico

rotativo, recolhe-se informao sobre

os vrios eixos, que se for combinada

com o auxlio de informtica, produz

um mapa tridimensional da densidade

de protes (que pode ser visualizada

em cortes).

Uma vez que, como mencionmos

antes, a densidade de protes varia

com o tipo de tecido (por causa dos

diferentes contedos de gua dos

mesmos), diferentes sinais so tam-bm obtidos para diferentes tipos de

tecidos.

REFERNCIAS

Recomendamos as referncias [1-3]

para os que pretendem aprofundar os

conhecimentos na rea de RMN.

[1] Timothy D.W. Claridge, High-reso-

lution NMR Techniques in Organic

Chemistry, Elsevier, 1999.

[2] J.N.S. Evans, Biomolecular NMR

Spectroscopy, Oxford University

Press, Oxford, 1995.

[3] R. Abraham, J. Fisher, P. Loftus, Intro-

duction to NMR Spectroscopy, Wiley,

Chichester, 1988.

[4] (http://nobelprize.org)

[5] R.K. Harris, E.D. Becker, S.M. Cabral

de Menezes, R. Goodfellow, P.

Granger. Pure Appl. Chem. 2001, 73,

17951818.

[6] D.P. Bancroft, C.A. Lepre, S.J. Lip-

pard, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112,

68606871.

[7] K.V. Luzyanin, M. Haukka, N.A.

Bokach, M.L. Kuznetsov, V.Yu. Kuku-

shkin, A.J.L. Pombeiro, J. Chem. Soc.,

Dalton Trans., 2002, 18821887.

[8] K.V. Luzyanin, P.V. Gushchin, A.J.L.

Pombeiro, M. Haukka, V.I. Ovcharen-

ko, V.Yu. Kukushkin, Inorg. Chem.

2008, 47, 69196930.

[9] Para explicar a tcnica de IRM a um

pblico mais jovem recomendamos

vivamente o jogo didctico sobre este

tema que est alojado no site do Pr-

mio Nobel em (http://nobelprize.org/

educational_games/medicine/mri/).

Figura 12 Em relao a uma experincia de RMN de 1H convencional a IRM permite obter informao sobre a localizaoespacial de protes em tecidos. A aplicao de um campo magntico em gradiente origina um sinal que contm informao

no s sobre a existncia de protes mas tambm sobre a sua localizao

Sociedade Portuguesa de Qumica

Avenida da Repblica, n45 - 3 Esq.

1050-187 Lisboa - Portugal

URL: www.spq.pt

E-mail: sede@spq.pt