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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 enlaces β-(1→4).
Proyección de Haworth de la molécula de quitina.
Un primer plano del ala de un saltamontes ; el ala está compuesta de quitina.

La quitina ( C 8 H 13 O 5 N ) n ( / ˈ k aɪ t ɪ n / 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 cada año se producen en la biosfera mil millones de toneladas de quitina. [1] Es un componente principal de las paredes celulares de los hongos (especialmente los hongos filamentosos y que forman hongos), los exoesqueletos de artrópodos como crustáceos e insectos, las rádulas , los picos de los cefalópodos y los gladii de los moluscos y en algunos nematodos y diatomeas. [2] [3] También es sintetizado por al menos algunos peces y lisanfibios . [4] Comercialmente, la quitina se extrae de los caparazones de cangrejos, camarones, mariscos y langostas, que son los principales subproductos de la industria pesquera. [2] [3] La estructura de la quitina es comparable a la de la celulosa y forma nanofibrillas o bigotes cristalinos. 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 "chitin" 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 (concretamente, 2-(acetilamino)-2-desoxi- D -glucosa). Estas unidades forman enlaces covalentes β-(1→4) (como los enlaces entre unidades de glucosa que forman 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 aumento de los enlaces de hidrógeno entre polímeros adyacentes , dando a la matriz de quitina-polímero una mayor resistencia.

Una cigarra emerge de su exoesqueleto ninfal quitinoso.

En su forma pura y sin modificar, la quitina es translúcida, flexible, resistente y bastante resistente. En la mayoría de los artrópodos , sin embargo, a menudo se modifica y se presenta en gran medida como componente de materiales compuestos , como en la esclerotina , una matriz proteica curtida , que forma gran parte del exoesqueleto de los insectos . Combinada con carbonato de calcio , como en los caparazones de 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 duro y menos quebradizo que el carbonato de calcio puro . [10] Otra diferencia entre las formas puras y compuestas se puede ver comparando la pared corporal flexible de una oruga (principalmente quitina) con el élitro rígido y liviano de un escarabajo (que contiene una gran proporción de esclerotina ). [11]

En las escamas de las alas de las mariposas, la quitina está organizada en pilas de giroides construidos con cristales fotónicos de quitina que producen varios colores iridiscentes que sirven de señalización y comunicación fenotípica para el apareamiento y la búsqueda de alimento. [12] La elaborada construcción giroide de quitina en las alas de las mariposas crea un modelo de dispositivos ópticos con potencial para innovaciones en biomímesis . [12] Los escarabajos del género Cyphochilus también utilizan quitina para formar escamas extremadamente delgadas (de cinco a quince micrómetros de espesor) que reflejan de manera difusa la luz blanca. Estas escamas son redes de filamentos de quitina ordenados aleatoriamente con diámetros del orden de cientos de nanómetros , que sirven para dispersar la luz. Se cree que la dispersión múltiple de la luz influye en la inusual blancura 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 exteriores del nido, compuestas de papel. [15]

El quitosano se produce comercialmente mediante la desacetilación de la quitina mediante tratamiento con hidróxido de sodio . El quitosano tiene una amplia gama de aplicaciones biomédicas que incluyen la curación de heridas, la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. [2] [3] Debido a su red de enlaces de hidrógeno intermoleculares específica, 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]

Humanos y otros mamíferos.

Los humanos y otros mamíferos tienen quitinasa y proteínas similares a quitinasas 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 las células T colaboradoras . [19] Los queratinocitos de la piel también pueden reaccionar a la quitina o a fragmentos de quitina. [19]

Plantas

Las plantas también tienen receptores que pueden causar una respuesta a la quitina, a saber, el receptor quinasa 1 del elicitor de quitina y la proteína de unión al elicitor de quitina. [19] El primer receptor de quitina se clonó en 2006. [20] Cuando los receptores son activados por la quitina, se expresan genes relacionados con la defensa de la planta y se activan las hormonas jasmonato , que a su vez activan las defensas sistemáticas. [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 de unión a quitina que enmascaran la quitina que desprenden de estos receptores. [21] [22] Zymoseptoria tritici es un ejemplo de un patógeno fúngico que tiene tales proteínas bloqueadoras; Es una plaga importante en los cultivos de trigo . [23]

Registro fósil

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

Usos

Agricultura

La quitina es un buen inductor de los mecanismos de defensa de las plantas para el control de enfermedades . [25] Tiene potencial para su uso 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. Ejemplos de usos potenciales de la quitina químicamente modificada en el procesamiento de alimentos incluyen la formación de películas comestibles y como aditivo para espesar y estabilizar alimentos y emulsiones alimentarias. [28] [29] Los procesos para dimensionar y fortalecer 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 la quitina interactúa. Los sistemas inmunológicos responden. [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 adyuvantes de vacunas debido a su capacidad para estimular una respuesta inmune. [2] [19]

La quitina y el quitosano se están desarrollando como armazones en estudios sobre cómo crece el tejido y cómo curan 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 fabricar hilo han impedido el éxito comercial hasta ahora. [36]

Se ha demostrado y propuesto que el quitosano produzca 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 de 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 peces, exoesqueletos de crustáceos e insectos, etc.) podrían utilizarse como materia prima para los procesos de fabricación.

Ver también

Referencias

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