Quitina

La quitina (C ₈ H ₁₃ O ₅ N) _n es un polímero de cadena larga de N -acetilglucosamina, una amida derivada de la glucosa. El segundo polisacárido más abundante en la naturaleza (después de la celulosa), es un componente principal de las paredes celulares de los hongos, los exoesqueletos de artrópodos como crustáceos e insectos, y las rádulas, picos de cefalópodos y gladios de moluscos. También es sintetizado por al menos algunos peces y lisanfibios. 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 ser útil para varios fines medicinales, industriales y biotecnológicos.

Etimología

La palabra inglesa "chitin" proviene de la palabra francesa quitine, que se derivó en 1821 de la palabra griega χιτών (khitōn) que significa cubierta.

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

Química, propiedades físicas y función biológica.

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.

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 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, dando a la matriz de quitina-polímero una mayor resistencia.

En su forma pura y sin modificar, la quitina es translúcida, maleable, resistente y bastante resistente. Sin embargo, en la mayoría de los artrópodos, 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. Se puede ver otra diferencia entre las formas puras y compuestas al comparar 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).

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 de señalización fenotípica y comunicación para el apareamiento y la búsqueda de alimento. La elaborada construcción de giroides de quitina en las alas de mariposa crea un modelo de dispositivos ópticos que tienen potencial para innovaciones en biomimética. Los escarabajos del género Cyphochilus también utilizan quitina para formar escamas extremadamente finas (de cinco a quince micrómetros de espesor) que reflejan de forma difusa la luz blanca. Estas escalas son redes de filamentos de quitina ordenados al azar 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.Además, algunas avispas sociales, como Protopolybia chartergoides, segregan por vía oral material que contiene predominantemente quitina para reforzar las envolturas exteriores del nido, compuestas de papel.

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

Se han fabricado nanofibrillas utilizando quitina y quitosano.

Efectos en la salud

Los organismos productores de quitina como los protozoos, los hongos, los artrópodos y los nematodos suelen ser patógenos en otras especies.

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 inmunitarios que pueden reconocer la quitina y sus productos de degradación en un patrón molecular asociado a patógenos, iniciando una respuesta inmunitaria.

La quitina se detecta principalmente en los pulmones o el tracto gastrointestinal, donde puede activar el sistema inmunitario innato a través de eosinófilos o macrófagos, así como una respuesta inmunitaria adaptativa a través de las células T colaboradoras. Los queratinocitos en la piel también pueden reaccionar a la quitina o fragmentos de quitina. Según estudios in vitro, la quitina es detectada por receptores, como FIBCD1, KLRB1, REG3G, receptor tipo Toll 2, CLEC7A y receptores de manosa.

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

Plantas

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

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

Registro fósil

La quitina probablemente estaba presente en los exoesqueletos de los 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 encerrado en ámbar.

Usos

Agricultura

La quitina es un buen inductor de los mecanismos de defensa de las plantas para el control de enfermedades. Tiene potencial para su uso como fertilizante o acondicionador del suelo para mejorar la fertilidad y la resiliencia de las plantas que pueden mejorar el rendimiento de los cultivos.

Industrial

La quitina se utiliza en la industria en muchos procesos. Los ejemplos de 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. Los procesos para encolar y fortalecer el papel emplean quitina y quitosano.

Investigar

La forma en que la quitina interactúa con el sistema inmunitario 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 inmunitaria desencadenada y los mecanismos por los cuales los sistemas inmunológicos responden. La quitina y el quitosano se han explorado como adyuvantes de vacunas debido a su capacidad para estimular una respuesta inmunitaria.

La quitina y el quitosano están en desarrollo como andamios en estudios sobre cómo crece el tejido y cómo se curan las heridas, y en los esfuerzos por inventar mejores vendajes, hilos quirúrgicos y materiales para alotrasplantes. 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 problemas para hacer hilo han impedido su desarrollo comercial.

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

En 2020, se propuso la quitina para su uso en la construcción de estructuras, herramientas y otros objetos sólidos a partir de un material compuesto de quitina combinada con regolito marciano. En este escenario, los biopolímeros en la quitina actúan como aglutinante para que el agregado de regolito forme un material compuesto similar al concreto. 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 los procesos de fabricación.