Введение

Хитин (C8H13O5N)n (/k/aɪ/t/ɪn/ KYtin) — это длинноцепочечный полимер N-ацетилглюкозамина, амидное производное глюкозы. Хитин является вторым по распространенности полисахаридом в природе (после целлюлозы); ежегодно в биосфере производится около 1 миллиарда тонн хитина. Он является основным компонентом клеточных стенок грибов (особенно нитчатых и образующих плодовые тела грибов), экзоскелетов членистоногих, таких как ракообразные и насекомые, радулы, клювов головоногих моллюсков и гладий, а также некоторых нематод и диатомовых водорослей. Он также синтезируется, по крайней мере, некоторыми видами рыб и лиссамфибий. В коммерческих целях хитин извлекают из панцирей крабов, креветок, ракушек и лобстеров, которые являются основными побочными продуктами рыбной промышленности.

Этимология

Английское слово "хитин" происходит от французского слова "хитин", которое в 1821 году было образовано от греческого слова χιτών (khitōn), означающего "одежда" или "покрытие". Схожее слово, "хитон", используется для обозначения морского животного с защитным панцирем.

Химия, физические свойства и биологическая функция

Структура хитина была определена Альбертом Хофманом в 1929 году. Хофман гидролизовал хитин, используя сырой препарат фермента хитиназы, который он получил из улитки Helix pomatia. Хитин – модифицированный полисахарид, содержащий азот; он синтезируется из звеньев N-ацетил-D-глюкозамина (точнее, 2-(ацетиламино)-2-дезокси-D-глюкозы). Эти звенья образуют ковалентные β(1→4)-связи (подобно связям между звеньями глюкозы, формирующими целлюлозу). Поэтому хитин можно описать как целлюлозу, в которой одна гидроксильная группа на каждом мономере заменена ацетиламиногруппой. Это позволяет увеличить образование водородных связей между соседними полимерами, придавая хитиновой полимерной матрице повышенную прочность. В чистом, немодифицированном виде хитин полупрозрачен, пластичен, упруг и достаточно прочен. Однако у большинства членистоногих он часто подвергается модификациям и в основном встречается как компонент композитных материалов, таких как склеротин – дублёная белковая матрица, формирующая значительную часть экзоскелета насекомых. В сочетании с карбонатом кальция, как в раковинах ракообразных и моллюсков, хитин образует гораздо более прочный композит. Этот композитный материал значительно тверже и жестче, чем чистый хитин, и прочнее и менее хрупок, чем чистый карбонат кальция. Другое различие между чистой и композитной формами можно увидеть, сравнивая гибкую стенку тела гусеницы (в основном состоящую из хитина) с жестким и легким элитроном жука (содержащим значительную долю склеротина). В чешуйках крыльев бабочек хитин организован в стопки гироидов, построенных из хитиновых фотонных кристаллов, которые производят различные переливающиеся цвета, служащие для фенотипической сигнализации и коммуникации при спаривании и поиске пищи. Сложная гироидная структура хитина в крыльях бабочек создает модель оптических устройств, обладающих потенциалом для инноваций в биомимикрии. Кроме того, некоторые социальные осы, такие как Protopolybia chartergoides, выделяют через рот материал, содержащий преимущественно хитин, для укрепления внешних оболочек гнезда, состоящих из бумаги. Хитозан производится в промышленных масштабах путем деацетилирования хитина обработкой гидроксидом натрия. Хитозан имеет широкий спектр биомедицинских применений, включая заживление ран, доставку лекарств и тканевую инженерию. Хитозан (со степенью деацетилирования более ~28%) может растворяться в разбавленных кислых водных растворах с pH ниже 6,0, таких как уксусная, муравьиная и молочная кислоты. Хитозан со степенью деацетилирования более ~49% растворим в воде.

Люди и другие млекопитающие

У людей и других млекопитающих есть хитиназа и хитиноподобные белки, способные расщеплять хитин; они также обладают несколькими иммунными рецепторами, которые могут распознавать хитин и продукты его распада, запуская иммунный ответ. Хитин в основном обнаруживается в легких или желудочно-кишечном тракте, где он может активировать врожденный иммунитет через эозинофилы или макрофаги, а также адаптивный иммунный ответ через Т-хелперы. При активации рецепторов хитином экспрессируются гены, связанные с защитой растений, и активируются гормоны жасмоновой кислоты, которые, в свою очередь, активируют системную защиту. Zymoseptoria tritici – пример грибкового патогена, обладающего такими блокирующими белками; он является серьезным вредителем посевов пшеницы.

Сельское хозяйство

Хитин – эффективный индуктор защитных механизмов растений, позволяющий контролировать заболевания. Он обладает потенциалом для использования в качестве почвенного удобрения или улучшителя, способствующего повышению плодородия и устойчивости растений, что может привести к увеличению урожайности.

Промышленный

Хитин используется во многих промышленных процессах. Примеры потенциального применения химически модифицированного хитина в пищевой промышленности включают создание съедобных плёнок, а также использование в качестве добавки для загущения и стабилизации продуктов питания и пищевых эмульсий. Хитин и хитозан применяются в процессах придания размера и прочности бумаге.

Исследования

Как хитин взаимодействует с иммунной системой растений и животных – активно изучаемая область, включающая определение ключевых рецепторов, с которыми он взаимодействует, а также вопрос о влиянии размера частиц хитина на тип вызываемого иммунного ответа и механизмы, посредством которых иммунные системы реагируют. Хитин химически или ферментативно дезацетилируется с образованием хитозана – высоко биосовместимого полимера, получившего широкое применение в биомедицинской промышленности. Хитин и хитозан изучались в качестве адъювантов вакцин благодаря их способности стимулировать иммунный ответ. Швы из хитина были экспериментально разработаны, однако их недостаточная эластичность и сложности в производстве нитей до сих пор препятствуют их коммерческому успеху. Показано и предложено использовать хитозан для создания воспроизводимой формы биоразлагаемого пластика. Хитинные нановолокна извлекаются из отходов ракообразных и грибов для возможной разработки продуктов в области тканевой инженерии, доставки лекарств и медицины. Предложено использовать хитин для строительства конструкций, инструментов и других твердых объектов из композитного материала, сочетая его с марсианским реголитом. В этом случае биополимеры хитина рассматриваются как связующее для реголитного заполнителя, формирующего композитный материал, подобный бетону. Авторы полагают, что отходы пищевого производства (например, чешуя рыб, экзоскелеты ракообразных и насекомых и т.п.) можно использовать в качестве сырья для производственных процессов.