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Quitina

Estructura de la molécula de quitina, que muestra dos de las unidades de N -acetilglucosamina que se repiten para formar cadenas largas en enlace β-(1→4).
Proyección de Haworth de la molécula de quitina.
Un primer plano del ala de un saltahojas ; el ala está compuesta de quitina.

La quitina ( C8H13O5N ) n ( / ˈkaɪtɪn / KY -tin ) es un polímero de cadena larga de N -acetilglucosamina , un derivado amida de la glucosa . La quitina es el segundo polisacárido más abundante en la naturaleza ( solo detrás de la celulosa ) ; se estima que se producen mil millones de toneladas de quitina cada año en la biosfera. [1] Es un componente primario de las paredes celulares de los hongos (especialmente los hongos filamentosos y formadores de hongos), los exoesqueletos de artrópodos como crustáceos e insectos, las rádulas , los picos de los cefalópodos y los gladios de los moluscos y en algunos nematodos y diatomeas. [2] [3] También lo sintetizan al menos algunos peces y lisanfibios . [4] Comercialmente, la quitina se extrae de los caparazones de cangrejos, camarones, mariscos y langostas, que son subproductos importantes de la industria de los mariscos. [2] [3] La estructura de la quitina es comparable a la celulosa, formando nanofibrillas cristalinas o bigotes. Es funcionalmente comparable a la proteína queratina . La quitina ha demostrado ser útil para varios fines medicinales, industriales y biotecnológicos. [3] [5]

Etimología

La palabra inglesa "quitina" proviene de la palabra francesa chitine , que se derivó en 1821 de la palabra griega χιτών ( khitōn ) que significa cubierta. [6]

Una palabra similar, " chitón ", se refiere a un animal marino con un caparazón protector.

Química, propiedades físicas y función biológica.

Configuraciones químicas de los diferentes monosacáridos (glucosa y N-acetilglucosamina) y polisacáridos (quitina y celulosa) presentados en proyección de Haworth

La estructura de la quitina fue determinada por Albert Hofmann en 1929. Hofmann hidrolizó la quitina utilizando una preparación cruda de la enzima quitinasa, que obtuvo del caracol Helix pomatia . [7] [8] [9]

La quitina es un polisacárido modificado que contiene nitrógeno; se sintetiza a partir de unidades de N -acetil- D -glucosamina (para ser precisos, 2-(acetilamino)-2-desoxi- D -glucosa). Estas unidades forman enlaces covalentes β-(1→4) (como los enlaces entre las unidades de glucosa que forman la celulosa ). Por lo tanto, la quitina puede describirse como celulosa con un grupo hidroxilo en cada monómero reemplazado por un grupo acetilamina . Esto permite un mayor enlace de hidrógeno entre polímeros adyacentes , lo que le da mayor resistencia a la matriz quitina-polímero.

Una cigarra emerge de su exoesqueleto ninfal quitinoso.

En su forma pura, sin modificar, la quitina es translúcida, flexible, resistente y bastante resistente. Sin embargo, en la mayoría de los artrópodos , a menudo está modificada y se presenta principalmente como un componente de materiales compuestos , como la esclerotina , una matriz proteínica curtida que forma gran parte del exoesqueleto de los insectos . Combinada con carbonato de calcio , como en las conchas de los crustáceos y moluscos , la quitina produce un compuesto mucho más fuerte. Este material compuesto es mucho más duro y rígido que la quitina pura, y es más resistente y menos quebradizo que el carbonato de calcio puro . [10] Otra diferencia entre las formas puras y compuestas se puede ver al comparar la pared corporal flexible de una oruga (principalmente quitina) con el élitro rígido y ligero de un escarabajo (que contiene una gran proporción de esclerotina ). [11]

En las escamas de las alas de las mariposas, la quitina se organiza en pilas de giroides construidos con cristales fotónicos de quitina que producen varios colores iridiscentes que sirven como señalización fenotípica y comunicación para el apareamiento y la búsqueda de alimento. [12] La elaborada construcción de giroides de quitina en las alas de las mariposas crea un modelo de dispositivos ópticos que tienen potencial para innovaciones en biomimetismo . [12] Los escarabajos del género Cyphochilus también utilizan quitina para formar escamas extremadamente delgadas (de cinco a quince micrómetros de espesor) que reflejan difusamente la luz blanca. Estas escamas son redes de filamentos de quitina ordenados aleatoriamente con diámetros en la escala de cientos de nanómetros , que sirven para dispersar la luz. Se cree que la dispersión múltiple de la luz juega un papel en la blancura inusual de las escamas. [13] [14] Además, algunas avispas sociales, como Protopolybia chartergoides , secretan por vía oral material que contiene predominantemente quitina para reforzar las envolturas externas del nido, compuestas de papel. [15]

El quitosano se produce comercialmente mediante la desacetilación de la quitina mediante el tratamiento con hidróxido de sodio . El quitosano tiene una amplia gama de aplicaciones biomédicas, incluida la cicatrización de heridas, la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. [2] [3] Debido a su red específica de enlaces de hidrógeno intermoleculares, disolver la quitina en agua es muy difícil. [16] El quitosano (con un grado de desacetilación de más de ~28%), por otro lado, se puede disolver en soluciones acuosas ácidas diluidas por debajo de un pH de 6,0, como los ácidos acético, fórmico y láctico. El quitosano con un grado de desacetilación superior a ~49% es soluble en agua [17] [18]

Los humanos y otros mamíferos

Los seres humanos y otros mamíferos tienen quitinasa y proteínas similares a la quitinasa que pueden degradar la quitina; también poseen varios receptores inmunes que pueden reconocer la quitina y sus productos de degradación, iniciando una respuesta inmune . [19]

La quitina se detecta principalmente en los pulmones o el tracto gastrointestinal , donde puede activar el sistema inmunológico innato a través de eosinófilos o macrófagos , así como una respuesta inmune adaptativa a través de células T auxiliares . [19] Los queratinocitos de la piel también pueden reaccionar a la quitina o fragmentos de quitina. [19]

Plantas

Las plantas también tienen receptores que pueden causar una respuesta a la quitina, a saber, la quinasa 1 del receptor elicitor de quitina y la proteína de unión al elicitor de quitina. [19] El primer receptor de quitina fue clonado en 2006. [20] Cuando los receptores son activados por la quitina, se expresan genes relacionados con la defensa de las plantas y se activan las hormonas jasmonato , que a su vez activan las defensas sistémicas. [21] Los hongos comensales tienen formas de interactuar con la respuesta inmune del huésped que, a partir de 2016 , no se entendían bien. [20]

Algunos patógenos producen proteínas que se unen a la quitina y que enmascaran la quitina que desprenden de estos receptores. [21] [22] Zymoseptoria tritici es un ejemplo de un patógeno fúngico que tiene dichas proteínas bloqueadoras; es una plaga importante en los cultivos de trigo . [23]

Registro fósil

La quitina probablemente estaba presente en los exoesqueletos de artrópodos cámbricos como los trilobites . La quitina más antigua conservada data del Oligoceno , hace unos 25 millones de años , y consiste en un escarabajo envuelto en ámbar . [24]

Usos

Agricultura

La quitina es un buen inductor de los mecanismos de defensa de las plantas para controlar enfermedades . [25] Tiene potencial para usarse como fertilizante o acondicionador del suelo para mejorar la fertilidad y la resiliencia de las plantas, lo que puede mejorar el rendimiento de los cultivos. [26] [27]

Industrial

La quitina se utiliza en muchos procesos industriales. Entre los posibles usos de la quitina modificada químicamente en el procesamiento de alimentos se incluyen la formación de películas comestibles y como aditivo para espesar y estabilizar alimentos y emulsiones alimentarias. [28] [29] Los procesos para dimensionar y reforzar el papel emplean quitina y quitosano. [30] [31]

Investigación

La forma en que la quitina interactúa con el sistema inmunológico de plantas y animales ha sido un área activa de investigación, incluida la identidad de los receptores clave con los que interactúa la quitina, si el tamaño de las partículas de quitina es relevante para el tipo de respuesta inmune desencadenada y los mecanismos por los cuales responden los sistemas inmunes. [32] [23] La quitina se desacetila química o enzimáticamente para producir quitosano , un polímero altamente biocompatible que ha encontrado una amplia gama de aplicaciones en la industria biomédica. [2] [33] [34] La quitina y el quitosano se han explorado como un adyuvante de vacunas debido a su capacidad para estimular una respuesta inmune. [2] [19]

La quitina y el quitosano se están desarrollando como andamios en estudios sobre cómo crece el tejido y cómo cicatrizan las heridas , y en esfuerzos por inventar mejores vendajes , hilo quirúrgico y materiales para alotrasplantes . [2] [16] [35] Se han desarrollado experimentalmente suturas hechas de quitina, pero su falta de elasticidad y los problemas para hacer hilo han impedido el éxito comercial hasta ahora. [36]

Se ha demostrado y propuesto que el quitosano crea una forma reproducible de plástico biodegradable . [37] Las nanofibras de quitina se extraen de desechos de crustáceos y hongos para el posible desarrollo de productos en ingeniería de tejidos , administración de fármacos y medicina. [2] [38]

Se ha propuesto el uso de quitina en la construcción de estructuras, herramientas y otros objetos sólidos a partir de un material compuesto , combinando quitina con regolito marciano . [39] Para construir esto, se sugieren los biopolímeros en la quitina como aglutinante para el agregado de regolito para formar un material compuesto similar al hormigón . Los autores creen que los materiales de desecho de la producción de alimentos (por ejemplo, escamas de pescado, exoesqueletos de crustáceos e insectos, etc.) podrían utilizarse como materia prima para procesos de fabricación.

Véase también

Referencias

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Enlaces externos

Scholia tiene un perfil de quitina (Q161219).