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.
Chitin (C8H13O5N)n ('/k//aɪ//t//ᵻ//n/ KYtin) is a long chain polymer of N acetylglucosamine, an amide derivative of glucose. Chitin is the second most abundant polysaccharide in nature (behind only cellulose); an estimated 1 billion tons of chitin are produced each year in the biosphere. It is a primary component of cell walls in fungi (especially filamentous and mushroom forming fungi), the exoskeletons of arthropods such as crustaceans and insects, the radulae, cephalopod beaks and gladii of molluscs and in some nematodes and diatoms. It is also synthesised by at least some fish and lissamphibians. Commercially, chitin is extracted from the shells of crabs, shrimps, shellfish and lobsters, which are major by products of the seafood industry.
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.