Quitina

La quitina (del griego: χιτών, quitón o túnica) es un carbohidrato que forma parte de las paredes celulares de los hongos, del resistente exoesqueleto de los artrópodos y algunos órganos de otros animales como las quetas de anélidos o los perisarcos de cnidarios.[1] La primera persona que consiguió describir correctamente su estructura química fue Albert Hofmann.

Quitobiosa, un disacárido de la N-acetilglucosamina (monómero de la quitina)
Molécula de celulosa
Molécula de quitina
Molécula de quitosano

La quitina es un polisacárido compuesto de unidades de N-acetilglucosamina (exactamente, N-acetil-D-glucos-2-amina). Estas están unidas entre sí con enlaces β-1,4, de la misma forma que las unidades de glucosa componen la celulosa.[2] Así, puede pensarse en la quitina como en celulosa con el grupo hidroxilo de cada monómero reemplazado por un grupo de acetilamina. Esto permite un incremento de los enlaces de hidrógeno con los polímeros adyacentes, dándole al material una mayor resistencia.

Es el segundo polímero natural más abundante después de la celulosa.[3] Es usada como agente floculante para tratamiento de agua, como agente para curar heridas, como espesante y estabilizador en alimentos y medicamentos, como resina de intercambio iónico. Es altamente insoluble en agua y en solventes orgánicos debido a los enlaces de hidrógeno que presenta la molécula. La quitina se vuelve soluble en ácidos inorgánicos diluidos cuando pierde el acetilo del grupo acetilamino, convirtiéndose en quitosano.

La quitina no forma sin embargo parte de las conchas de los moluscos gasterópodos. Estas están formadas por una combinación de nácar, conquiolina, aragonito y carbonato de calcio.

Historia

La quitina fue aislada por primera vez en 1811 por Braconnot de algunos hongos superiores (Fungi) como una fracción resistente al álcali y lo llamó fungina. En 1823 Auguste Odier aisló un residuo insoluble a soluciones de KOH del élitro de un escarabajo y le dio el nombre de quitina, del griego chiton, túnica o cobertura. Odier identificó la quitina del caparazón desmineralizado del cangrejo y sugirió que es el material base del exoesqueleto de todos los insectos y posiblemente de los arácnidos.

La primera persona que consiguió describir correctamente su estructura química fue Albert Hofmann, en 1929.

Síntesis

La quitina se sintetiza en el organismo a partir de glucosa con la ayuda de algunas enzimas entre ellas la quitina sintetasa. La hidrólisis enzimática de la quitina a acetilglucosamina se realiza por un sistema consistente de dos hidrolasas: quitinasa y quitobiasa. Las quitinasas son enzimas ampliamente distribuidas y son sintetizadas por bacterias, hongos y glándulas digestivas de los animales cuya dieta incluye quitina.

Ubicación

Por mucho, la forma más abundante y la más extensamente investigada es la α-quitina que se encuentra en la cutícula de los artrópodos y en ciertos hongos. La β-quitina se encuentra en el calamar y existe como un hidrato cristalino de baja estabilidad ya que el agua puede penetrar entre las cadenas de las capas. La quitina se encuentra en los capullos de los escarabajos. La conformación de la α-quitina es una celda ortorrómbica (a = 4,74 Å, b = 18,86 Å y c = 10,31 Å.

Obtención industrial

Proceso químico

La α-quitina se obtiene comercialmente del exoesqueleto de cangrejos y camarones. El exoesqueleto tiene como componentes principales quitina, carbonato de calcio y proteínas. También contiene pigmentos y grasa en pequeñas cantidades. La quitina es muy estable a los ácidos y álcalis y no es soluble en disolventes ordinarios. Por lo tanto, se puede aislar como un producto que permanece después de la descomposición con ácido y álcali de las otras sustancias presentes en el exoesqueleto. El exoesqueleto primero se limpia y trata con ácido para remover el carbonato de calcio. Para la desmineralización generalmente se utiliza HCl, HNO3, H2SO4, CH3COOH o HCOOH, pero el HCl es el preferido y se usa en concentraciones entre 0.3 y 2 M durante 1-48 h a temperaturas que varían de 0 a 100 °C. El HCl durante el proceso también disminuye el peso molecular de la quitina. El exoesqueleto descalcificado se corta en pequeños pedazos o se pulveriza y se desproteiniza con tratamientos alcalinos. La solución alcalina penetra en los intersticios de la matriz del caparazón para romper el enlace entre las proteínas y la quitina. Típicamente se trata con soluciones acuosas de NaOH 1-2 M durante 1-72 h a temperaturas que varían de 65 a 100 °C. La quitina se obtiene como un polvo blanquecino. El tratamiento alcalino, además, produce desacetilación en la molécula de quitina.También se pueden utilizar métodos complementarios al tratamiento ácido-base. Por ejemplo, la degradación enzimática de las proteínas con proteasas en condiciones suaves. Sin embargo, después del tratamiento permanece proteína residual entre 1 a 7% y el tiempo de reacción es más largo comparado con el método químico.

Proceso biotecnológico

Otro método de obtención es un proceso biotecnológico por medio del uso de microorganismos, los cuales se emplean como cultivo inicial, y de enzimas encargadas de purificar las proteínas y minerales del exoesqueleto de los crustáceos. El cultivo inicial también sirve como conservador, ya que evita la putrefacción del exoesqueleto.[4]

A este proceso se le han identificado dos ventajas notables en comparación al proceso químico tradicional:[4]

  • Usa 50% menos de agua, ya que aprovecha la humedad natural de los desechos crustáceos.
  • Reduce el uso de productos químicos considerados agresivos, lo que permite obtener productos finales con pocas impurezas.

Este método permite también la obtención de otros subproductos: proteína, astaxantina y calcio, los cuales no pueden ser obtenidos por el proceso químico o son obtenidos con altos niveles de impureza, debido a su alto nivel de corrosión.[4]

Investigación

La forma en que la quitina interactúa con el sistema inmunitario de las plantas y los 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 mediante los cuales responde el sistema inmunitario.[5][6] La quitina y el quitosano se han explorado como un adyuvante de vacunas debido a su capacidad para estimular una respuesta inmunitaria.[7]

La quitina y el quitosano están en desarrollo como tejidos en estudios sobre cómo crece el tejido y cómo se curan las heridas, y en esfuerzos para inventar mejores vendajes, vendajes quirúrgicos, y materiales para alotrasplante.[8][9] Las suturas hechas de quitina se han explorado durante muchos años, pero en 2015, ninguno estaba en el mercado; su falta de elasticidad y problemas para hacer hilo han impedido su desarrollo comercial.[10]

En 2014, se introdujo un método para usar quitosano como una forma reproducible de plástico biodegradable.[11] Las nanofibras de quitina se extraen de los desechos de crustáceos y hongos para el posible desarrollo de productos en la ingeniería de tejidos, la medicina y la industria.[12]

En 2020, se propuso el uso de quitina en la construcción de estructuras, herramientas y otros objetos sólidos a partir de un material compuesto de quitina combinado con regolito marciano.[13] En este escenario, los biopolímeros en la quitina actúan como el aglutinante para el agregado del regolito para formar un material compuesto parecido 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 los procesos de fabricación.

Véase también

Referencias
  1. McGavin, George C. (2000). Insectos arañas y otros artrópodos terrestres. Barcelona Omega. p. 11. ISBN 84-282-1201-5.
  2. VV.AA. (2004). Biología molecular de la célula (4 ed.). Barcelona: Omega. ISBN 978-84-282-1351-6.
  3. Ver en: Trends in Food Science & Technology 1999, 10, 37-51
  4. Universidad Autónoma Metropolitana - Unidad Iztapalapa (2011). «Producción de quitina y quitosano - Nuevo proceso biotecnológico». Archivado desde el original el 12 de mayo de 2020. Consultado el 20 de abril de 2013.
  5. Gómez-Casado, Cristina; Díaz-Perales, Araceli; Hedenqvist, Mikael S. (1 de octubre de 2016). «Allergen-Associated Immunomodulators: Modifying Allergy Outcome». Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis (en inglés) 64 (5): 339-347. ISSN 1661-4917. PMID 27178664. S2CID 15221318. doi:10.1007/s00005-016-0401-2.
  6. Kettles, GJ; Kanyuka, K (15 de abril de 2016). «Dissecting the Molecular Interactions between Wheat and the Fungal Pathogen Zymoseptoria tritici». Frontiers in Plant Science 7: 508. PMC 4832604. PMID 27148331. doi:10.3389/fpls.2016.00508.
  7. Elieh Ali Komi, D; Sharma, L; Dela Cruz, CS (1 de marzo de 2017). «Chitin and Its Effects on Inflammatory and Immune Responses.». Clinical Reviews in Allergy & Immunology 54 (2): 213-223. PMC 5680136. PMID 28251581. doi:10.1007/s12016-017-8600-0.
  8. Bedian, L; Villalba-Rodríguez, AM; Hernández-Vargas, G; Parra-Saldivar, R; Iqbal, HM (May 2017). «Bio-based materials with novel characteristics for tissue engineering applications - A review.». International Journal of Biological Macromolecules 98: 837-846. PMID 28223133. doi:10.1016/j.ijbiomac.2017.02.048.
  9. Cheung, R. C.; Ng, T. B.; Wong, J. H.; Chan, W. Y. (2015). «Chitosan: An Update on Potential Biomedical and Pharmaceutical Applications». Marine Drugs 13 (8): 5156-5186. PMC 4557018. PMID 26287217. doi:10.3390/md13085156.
  10. Ducheyne, Paul; Healy, Kevin; Hutmacher, Dietmar E.; Grainger, David W.; Kirkpatrick, C. James, eds. (2011). Comprehensive biomaterials. Amsterdam: Elsevier. p. 230. ISBN 9780080552941.
  11. «Harvard researchers develop bioplastic made from shrimp shells». Fox News. 16 de mayo de 2014. Consultado el 24 de mayo de 2014.
  12. Ifuku, Shinsuke (2014). «Chitin and Chitosan Nanofibers: Preparation and Chemical Modifications». Molecules 19 (11): 18367-80. PMC 6271128. PMID 25393598. doi:10.3390/molecules191118367.
  13. Shiwei, Ng; Dritsas, Stylianos; Fernandez, Javier G. (16 de septiembre de 2020). «Martian biolith: A bioinspired regolith composite for closed-loop extraterrestrial manufacturing». PLOS ONE 15 (9): e0238606. Bibcode:2020PLoSO..1538606S. PMC 7494075. PMID 32936806. doi:10.1371/journal.pone.0238606.

Bibliografía
  • VV.AA.A (2004). Biología molecular de la célula (4 edE.). Barcelona: Omega. ISBN 978-84-282-1351-6.
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