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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 ( C 8 H 13 O 5 N ) n ( / k aɪ t ɪ n / KY -tin ) es una cadena larga de polímero de N acetilglucosamina , un derivado de amida de la glucosa . Este polisacárido es un componente principal de las paredes celulares de los hongos , los exoesqueletos de los artrópodos , como los crustáceos y los insectos , las rádulas.de moluscos , picos de cefalópodos y escamas de pescado y piel de lisanfibios , [1] lo que lo convierte en el segundo polisacárido más abundante en la naturaleza, [2] solo por detrás de la celulosa . La estructura de la quitina es comparable a la celulosa, formando nanofibrillas o bigotes cristalinos. Es funcionalmente comparable a la proteína queratina . La quitina ha demostrado su utilidad para varios fines medicinales, industriales y biotecnológicos.

Etimología

La palabra inglesa "quitina" proviene de la palabra francesa chitina , que se derivó en 1821 de la palabra griega χιτών ( khitōn ) que significa cobertura. [3]

Una palabra similar, " quitón ", 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 la 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 . [4] [5] [6]

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 β- (1 → 4) covalentes (como los enlaces entre unidades de glucosa que forman celulosa ). Por lo tanto, la quitina puede ser descrito como celulosa con un hidroxilo grupo en cada monómero sustituido con un acetil amina grupo. Esto permite un mayor enlace de hidrógeno entre polímeros adyacentes., dando a la matriz de polímero de quitina una mayor resistencia.

Una cigarra emerge de su exoesqueleto larvario 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 principalmente como un 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 las conchas 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 resistente y menos quebradizo que el carbonato de calcio puro . [7]Se puede ver otra diferencia entre las formas puras y compuestas comparando la pared corporal flexible de una oruga (principalmente quitina) con el elitón rígido y ligero de un escarabajo (que contiene una gran proporción de esclerotina ). [8]

En las escamas de las alas de las mariposas, la quitina se organiza en pilas de giroscopios construidos con cristales fotónicos de quitina que producen varios colores iridiscentes que sirven para la señalización fenotípica y la comunicación para el apareamiento y la búsqueda de alimento. [9] La elaborada construcción de los giroscopios de quitina en las alas de las mariposas crea un modelo de dispositivos ópticos que tienen potencial para innovaciones en biomimetismo . [9] Los escarabajos del género Cyphochilus también utilizan quitina para formar escamas extremadamente delgadas (de cinco a quince micrómetrosde espesor) que reflejan difusamente la luz blanca. Estas escalas 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 inusual blancura de las escamas. [10] [11] Además, algunas avispas sociales, como Protopolybia chartergoides , secretan por vía oral material que contiene predominantemente quitina para reforzar los sobres exteriores del nido, compuestos de papel. [12]

El quitosano se produce comercialmente mediante desacetilación de quitina; el quitosano es soluble en agua, mientras que la quitina no lo es. [13]

Se han elaborado nanofibrillas utilizando quitina y quitosano. [14]

Efectos sobre la salud

Los organismos productores de quitina como protozoos , hongos , artrópodos y nematodos son a menudo patógenos en otras especies. [15]

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 en un patrón molecular asociado a patógenos , iniciando una respuesta inmunitaria . [15]

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 inmunitaria adaptativa a través de las células T colaboradoras . [15] Los queratinocitos de la piel también pueden reaccionar a la quitina o los fragmentos de quitina. [15] Según estudios in vitro, la quitina es detectada por receptores, como FIBCD1 , KLRB1 , REG3G , receptor tipo Toll 2 , CLEC7A y receptores de manosa . [15] [16]

La respuesta inmune a veces puede eliminar la quitina y su organismo asociado, pero a veces la respuesta inmune es patológica y se convierte en una alergia ; [17] Se cree que la alergia a los ácaros del polvo doméstico se debe a una respuesta a la quitina. [dieciséis]

Plantas

Las plantas también tienen receptores que pueden provocar una respuesta a la quitina, a saber, el receptor quinasa 1 del inductor de quitina y la proteína de unión al inductor de quitina. [15] El primer receptor de quitina se clonó en 2006. [18] Cuando los receptores son activados por la quitina, se expresan genes relacionados con las defensas de las plantas y se activan las hormonas jasmonato , que a su vez activan defensas sistemáticas. [19] Los hongos comensales tienen formas de interactuar con la respuesta inmune del huésped que, en 2016 , no se entendían bien. [18]

Algunos patógenos producen proteínas de unión a quitina que enmascaran la quitina que desprenden de estos receptores. [19] [20] Zymoseptoria tritici es un ejemplo de un patógeno fúngico que tiene tales proteínas bloqueantes; es una plaga importante en los cultivos de trigo . [21]

Registro fósil

La quitina probablemente estuvo presente en los exoesqueletos de artrópodos del Cámbrico como los trilobites . La quitina conservada más antigua data del Oligoceno , hace unos 25  millones de años , y consiste en un escorpión envuelto en ámbar . [22]

Usos

Agricultura

La quitina es un buen inductor de los mecanismos de defensa de las plantas para el control de enfermedades . [23] Tiene potencial para usarse como fertilizante o acondicionador del suelo para mejorar la fertilidad y la resistencia de las plantas, lo que puede mejorar el rendimiento de los cultivos. [24] [25]

Industrial

La quitina se utiliza en la industria en muchos procesos. Los ejemplos de los usos potenciales de la quitina modificada químicamente en el procesamiento de alimentos incluyen la formación de películas comestibles y como aditivo para espesar y estabilizar alimentos y emulsiones alimentarias. [26] [27] Los procesos para dimensionar y fortalecer el papel emplean quitina y quitosano. [28] [29]

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 inmunológicos. [17] [21] La quitina y el quitosano se han explorado como adyuvantes de vacunas debido a su capacidad para estimular una respuesta inmunitaria. [15]

La quitina y el quitosano se están desarrollando como andamios en estudios sobre cómo crece el tejido y cómo cicatrizan las heridas , y en los esfuerzos por inventar mejores vendajes , hilo quirúrgico y materiales para el alotrasplante . [13] [30] Las suturas hechas de quitina se han explorado durante muchos años, pero a partir de 2015 , no había ninguna en el mercado; su falta de elasticidad y sus problemas para fabricar hilos han impedido el desarrollo comercial. [31]

En 2014, se introdujo un método para usar quitosano como una forma reproducible de plástico biodegradable . [32] Las nanofibras de quitina se extraen de los desechos de los crustáceos y los hongos para el posible desarrollo de productos en la ingeniería de tejidos , la medicina y la industria. [33]

En 2020, se propuso la quitina para su uso en estructuras de construcción, herramientas y otros objetos sólidos a partir de un material compuesto de quitina combinado con regolito marciano . [34] En este escenario, los biopolímeros de la quitina actúan como aglutinante del 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

  • Biopesticida
  • Quitobiosa
  • Lorica
  • Esporopollenina
  • Tectina

Referencias

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