stringtranslate.com

Хитин

Структура молекулы хитина, показывающая две единицы N -ацетилглюкозамина , которые повторяются с образованием длинных цепей в β-(1→4)-связях.
Проекция Хаворта молекулы хитина.
Крупный план крыла цикадки ; крыло состоит из хитина.

Хитин ( C 8 H 13 O 5 N ) n ( / ˈ k aɪ t ɪ n / KY -tin ) — длинноцепочечный полимер N - ацетилглюкозамина , амидного производного глюкозы . Хитин — второй по распространенности полисахарид в природе (после целлюлозы ); По оценкам, каждый год в биосфере производится 1 миллиард тонн хитина. [1] Это основной компонент клеточных стенок грибов (особенно нитчатых и грибообразующих грибов), экзоскелетов членистоногих , таких как ракообразные и насекомые, радул , клювов и гладий головоногих моллюсков , а также некоторых нематод и диатомовых водорослей. [2] [3] Он также синтезируется, по крайней мере, некоторыми рыбами и лисамфибиями . [4] В промышленных масштабах хитин добывают из панцирей крабов, креветок, моллюсков и омаров, которые являются основными побочными продуктами индустрии морепродуктов. [2] [3] Структура хитина сравнима с целлюлозой, образует кристаллические нанофибриллы или усы. Функционально он сравним с белком кератином . Хитин оказался полезным для ряда медицинских, промышленных и биотехнологических целей. [3] [5]

Этимология

Английское слово «хитин» происходит от французского слова chitine , которое произошло в 1821 году от греческого слова χιτών ( хитон ), означающего покрытие. [6]

Похожее слово « хитон » относится к морскому животному с защитным панцирем.

Химия, физические свойства и биологическая функция

Химические конфигурации различных моносахаридов (глюкозы и N-ацетилглюкозамина) и полисахаридов (хитина и целлюлозы), представленных в проекции Хаворта.

Структуру хитина определил Альберт Хофманн в 1929 году. Хофман гидролизовал хитин, используя сырой препарат фермента хитиназы, полученный им из улитки Helix pomatia . [7] [8] [9]

Хитин — модифицированный полисахарид , содержащий азот; он синтезируется из единиц N -ацетил- D -глюкозамина (точнее, 2-(ацетиламино)-2-дезокси- D -глюкозы). Эти звенья образуют ковалентные β-(1→4)-связи (подобно связям между звеньями глюкозы , образующими целлюлозу ). Следовательно, хитин можно описать как целлюлозу , в которой одна гидроксильная группа в каждом мономере заменена ацетиламиновой группой . Это позволяет увеличить водородные связи между соседними полимерами , придавая хитин-полимерной матрице повышенную прочность.

Цикада выходит из хитинового нимфального экзоскелета.

В чистом, неизмененном виде хитин полупрозрачен, податлив, эластичен и довольно прочен. Однако у большинства членистоногих он часто видоизменяется, встречаясь в основном как компонент композиционных материалов , таких как склеротин , дубленый белковый матрикс, который образует большую часть экзоскелета насекомых . В сочетании с карбонатом кальция , как в панцирях ракообразных и моллюсков , хитин образует гораздо более прочный композит. Этот композитный материал намного тверже и жестче, чем чистый хитин, и более прочный и менее хрупкий, чем чистый карбонат кальция . [10] Еще одно различие между чистыми и сложными формами можно увидеть, сравнив гибкую стенку тела гусеницы ( в основном хитин) с жестким, легким надкрыльем жука (содержащим большую долю склеротина ). [11]

В чешуйках крыльев бабочки хитин организован в стопки гироидов , построенных из фотонных кристаллов хитина , которые производят различные переливающиеся цвета, служащие фенотипической передаче сигналов и коммуникации для спаривания и поиска пищи. [12] Сложная конструкция хитинового гироида в крыльях бабочки создает модель оптических устройств, обладающих потенциалом для инноваций в биомимикрии . [12] Жуки-скарабеи рода Cyphochilus также используют хитин для формирования чрезвычайно тонких чешуек (толщиной от пяти до пятнадцати микрометров ), которые диффузно отражают белый свет. Эти чешуйки представляют собой сети хаотично упорядоченных нитей хитина диаметром в сотни нанометров , которые служат для рассеяния света. Считается, что многократное рассеяние света играет роль в необычной белизне чешуи. [13] [14] Кроме того, некоторые социальные осы, такие как Protopolybiachartergoides , выделяют изо рта материал, содержащий преимущественно хитин, для укрепления внешних оболочек гнезда, состоящих из бумаги. [15]

Хитозан производят в промышленных масштабах путем деацетилирования хитина обработкой гидроксидом натрия . Хитозан имеет широкий спектр биомедицинских применений, включая заживление ран, доставку лекарств и тканевую инженерию. [2] [3] Из-за специфической сети межмолекулярных водородных связей растворить хитин в воде очень сложно. [16] Хитозан (со степенью деацетилирования более ~28%), с другой стороны, можно растворять 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 [17] [18]

Люди и другие млекопитающие

У людей и других млекопитающих есть хитиназа и хитиназоподобные белки , которые могут разрушать хитин; они также обладают несколькими иммунными рецепторами , которые могут распознавать хитин и продукты его распада, инициируя иммунный ответ . [19]

Хитин обнаруживается главным образом в легких или желудочно-кишечном тракте , где он может активировать врожденную иммунную систему через эозинофилы или макрофаги , а также адаптивный иммунный ответ через Т-хелперные клетки. [19] Кератиноциты кожи также могут реагировать на хитин или его фрагменты. [19]

Растения

У растений также есть рецепторы, которые могут вызывать ответ на хитин, а именно киназа 1 рецептора элиситора хитина и белок, связывающий элиситор хитина. [19] Первый рецептор хитина был клонирован в 2006 году. [20] Когда рецепторы активируются хитином, экспрессируются гены, связанные с защитой растений, и активируются жасмонатные гормоны, которые, в свою очередь, активируют систематическую защиту. [21] У комменсальных грибов есть способы взаимодействия с иммунным ответом хозяина, которые по состоянию на 2016 год не были хорошо изучены. [20]

Некоторые патогены вырабатывают хитин-связывающие белки, которые маскируют хитин, который они выделяют из этих рецепторов. [21] [22] Zymoseptoria tritici является примером грибкового патогена, который имеет такие блокирующие белки; это главный вредитель посевов пшеницы . [23]

Окаменелости

Хитин, вероятно, присутствовал в экзоскелетах кембрийских членистоногих, таких как трилобиты . Самый старый сохранившийся хитин датируется олигоценом , около 25 миллионов лет назад , и состоит из жука, заключенного в янтарь . [24]

Использование

сельское хозяйство

Хитин является хорошим стимулятором защитных механизмов растений для борьбы с болезнями . [25] Он потенциально может использоваться в качестве удобрения или кондиционера для почвы для повышения плодородия и устойчивости растений, что может повысить урожайность сельскохозяйственных культур. [26] [27]

Промышленный

Хитин используется во многих промышленных процессах. Примеры потенциального использования химически модифицированного хитина в пищевой промышленности включают образование съедобных пленок, а также в качестве добавки для загущения и стабилизации пищевых продуктов и пищевых эмульсий. [28] [29] В процессах калибровки и укрепления бумаги используются хитин и хитозан. [30] [31]

Исследовать

То, как хитин взаимодействует с иммунной системой растений и животных, является активной областью исследований, включая идентификацию ключевых рецепторов , с которыми взаимодействует хитин, имеет ли размер частиц хитина отношение к типу запускаемого иммунного ответа и механизмы, с помощью которых хитин взаимодействует с иммунной системой растений и животных. иммунная система реагирует. [32] [23] Хитин деацетилируется химически или ферментативно с образованием хитозана , биосовместимого полимера , который нашел широкий спектр применения в биомедицинской промышленности. [2] [33] [34] Хитин и хитозан были исследованы в качестве адъювантов вакцин из-за их способности стимулировать иммунный ответ. [2] [19]

Хитин и хитозан разрабатываются в качестве основы для изучения того, как растут ткани и как заживают раны , а также в попытках изобрести более совершенные повязки , хирургические нити и материалы для аллотрансплантации . [2] [16] [35] Шовные материалы из хитина были экспериментально разработаны, но их недостаточная эластичность и проблемы с изготовлением нитей до сих пор мешали коммерческому успеху. [36]

Хитозан был продемонстрирован и предложен в качестве воспроизводимой формы биоразлагаемого пластика. [37] Нановолокна хитина извлекаются из отходов ракообразных и грибов для возможной разработки продуктов в тканевой инженерии , доставке лекарств и медицине. [2] [38]

Хитин был предложен для использования в строительных конструкциях, инструментах и ​​других твердых предметах из композиционного материала , сочетающего хитин с марсианским реголитом . [39] Для этого биополимеры хитина предлагаются в качестве связующего вещества для агрегата реголита , образующего бетоноподобный композитный материал . Авторы полагают, что отходы производства продуктов питания (например, чешуя рыб, экзоскелеты ракообразных и насекомых и т. д.) могут быть использованы в качестве сырья для производственных процессов.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нельсон, Д.Л., Кокс, М.М. (2017). Ленингерские принципы биохимии (7-е изд.). Макмиллан Обучение. ISBN 978-1-4641-2611-6.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  2. ^ abcdefg Санджанвала, Дхрув; Лондхе, Вайшали; Триведи, Рашми; Бонде, Смита; Саваркар, Суджата; Кале, Винита; Патравале, Вандана (2 декабря 2022 г.). «Гидрогели на основе полисахаридов для доставки лекарств и лечения ран: обзор». Экспертное мнение о доставке лекарств . 19 (12): 1664–1695. дои : 10.1080/17425247.2022.2152791. ISSN  1742-5247. PMID  36440488. S2CID  254041961.
  3. ^ abcd Санджанвала, Дхрув; Лондхе, Вайшали; Триведи, Рашми; Бонде, Смита; Саваркар, Суджата; Кале, Винита; Патравале, Вандана (1 января 2024 г.). «Гидрогели на основе полисахаридов для медицинских изделий, имплантатов и тканевой инженерии: обзор». Международный журнал биологических макромолекул . 256 : 128488. doi : 10.1016/j.ijbiomac.2023.128488. ISSN  0141-8130.
  4. ^ Тан, WJ; Фернандес, Дж.Г.; Сон, Джей-Джей; Амемия, Коннектикут (2015). «Хитин вырабатывается у позвоночных эндогенно». Курр Биол . 25 (7): 897–900. дои :10.1016/j.cub.2015.01.058. ПМЦ 4382437 . ПМИД  25772447. 
  5. ^ Морин-Крини, Надя; Лихтфаус, Эрик; Торри, Джанджакомо; Крини, Грегорио (01 декабря 2019 г.). «Применение хитозана в продуктах питания, фармацевтике, медицине, косметике, сельском хозяйстве, текстиле, целлюлозно-бумажной промышленности, биотехнологии и химии окружающей среды». Письма по экологической химии . 17 (4): 1667–1692. дои : 10.1007/s10311-019-00904-x. ISSN  1610-3661.
  6. ^ Одье, Огюст (1823). «Мемуар о химическом составе роговых частей насекомых». Mémoires de la Société d'Histoire Naturelle de Paris (на французском языке). представлено: 1821 г. 1 : 29–42. la Chitine (c'est ainsi que je nomme cette вещества де хитон, χιτον, оболочка… [хитин (именно так я называю это вещество от хитона, χιτον, покров)]»
  7. ^ Хофманн, А. (1929). Über den enzymatischen Abbau des Chitins und Chitosans [ О ферментативном расщеплении хитина и хитозана ] (Диссертация). Цюрих, Швейцария: Цюрихский университет.
  8. ^ Каррер, П.; Хофманн, А. (1929). «Полисахарид XXXIX. Убер-ден-энзиматический аббау фон хитин и хитозан I». Helvetica Chimica Acta (на немецком языке). 12 (1): 616–637. дои : 10.1002/hlca.19290120167.
  9. ^ Финни, Натаниэль С.; Сигел, Джей С. (2008). «Памяти: Альберта Хофмана (1906–2008)» (PDF) . ХИМИЯ . Университет Цюриха. 62 (5): 444–447. дои : 10.2533/chimia.2008.444. Архивировано из оригинала (PDF) 16 июня 2013 г. Проверено 14 апреля 2013 г.
  10. ^ Кэмпбелл, Северная Каролина (1996) Биология (4-е издание) Бенджамин Каммингс, Новая работа. стр.69 ISBN 0-8053-1957-3 
  11. ^ Гилберт, Лоуренс И. (2009). Развитие насекомых: морфогенез, линька и метаморфоз . Амстердам Бостон: Elsevier/Academic Press. ISBN 978-0-12-375136-2.
  12. ^ аб Саранатан В., Осуджи К.О., Мокри С.Г., Нох Х., Нараянан С., Сэнди А., Дюфрен Э.Р., Прум РО (2010). «Структура, функции и самосборка фотонных кристаллов односетевого гироида (I4132) в чешуйках крыльев бабочки». Proc Natl Acad Sci США . 107 (26): 11676–81. Бибкод : 2010PNAS..10711676S. дои : 10.1073/pnas.0909616107 . ПМК 2900708 . ПМИД  20547870. 
  13. ↑ Даси Эспуч М (16 августа 2014 г.). «Понятна белизна жуков». Новости BBC: Наука и окружающая среда . Проверено 15 ноября 2014 г.
  14. ^ Бурреси, Маттео; Кортезе, Лоренцо; Паттелли, Лоренцо; Колле, Матиас; Вукусич, Питер; Виерсма, Дидерик С.; Штайнер, Ульрих; Виньолини, Сильвия (2014). «Ярко-белые чешуи жука оптимизируют многократное рассеяние света». Научные отчеты . 4 : 6075. Бибкод : 2014NatSR...4E6075B. дои : 10.1038/srep06075. ПМК 4133710 . ПМИД  25123449. 
  15. ^ Кудо, К.; Ямане, Со; Матеус, С.; Цучида, К.; Ито, Ю.; Мияно, С.; Ямамото, Х.; Зукки, Р. (1 октября 2001 г.). «Материалы для гнезд и некоторые химические характеристики гнезд полистной осы Нового Света, Polybia paulista (Hymenoptera Vespidae)». Этология Экология и эволюция . 13 (4): 351–360. дои : 10.1080/08927014.2001.9522766. ISSN  0394-9370. S2CID  86452110.
  16. ^ аб Бедиан, Л; Вильяльба-Родригес, AM; Эрнандес-Варгас, Г; Парра-Сальдивар, Р.; Икбал, Его Величество (май 2017 г.). «Биологические материалы с новыми характеристиками для применения в тканевой инженерии - обзор». Международный журнал биологических макромолекул . 98 : 837–846. doi : 10.1016/j.ijbiomac.2017.02.048. ПМИД  28223133.
  17. ^ Чо, Ён Ву; Чан, Джинхо; Пак, Чонг Рэ; Ко, Сок-Вон (1 декабря 2000 г.). «Получение и растворимость в кислоте и воде частично деацетилированных хитинов». Биомакромолекулы . 1 (4): 609–614. дои : 10.1021/bm000036j. ISSN  1525-7797.
  18. ^ Рухани Ширван, Анахита; Шакери, Мина; Башари, Азаде (01 января 2019 г.), Шахид-уль-Ислам; Бутола, бакалавр наук (ред.), «5 - Последние достижения в применении хитозана и его производных в функциональной отделке текстиля», Влияние и перспективы зеленой химии для текстильных технологий , Серия книг Текстильного института, Woodhead Publishing, стр. 107. –133, ISBN 978-0-08-102491-1, получено 18 декабря 2023 г.
  19. ^ abcde Элиех Али Коми, D; Шарма, Л; Дела Круз, CS (1 марта 2017 г.). «Хитин и его влияние на воспалительные и иммунные реакции». Клинические обзоры по аллергии и иммунологии . 54 (2): 213–223. дои : 10.1007/s12016-017-8600-0. ПМК 5680136 . ПМИД  28251581. 
  20. ^ аб Санчес-Валлет, А; Местерс, младший; Томма, BP (март 2015 г.). «Битва за распознавание хитина во взаимодействиях растений и микробов». Обзоры микробиологии FEMS . 39 (2): 171–83. дои : 10.1093/femsre/fuu003 . hdl : 20.500.11850/97275 . ISSN  0168-6445. ПМИД  25725011.
  21. ^ аб Шарп, Рассел Г. (21 ноября 2013 г.). «Обзор применения хитина и его производных в сельском хозяйстве для изменения растительно-микробных взаимодействий и повышения урожайности». Агрономия . 3 (4): 757–793. дои : 10.3390/agronomy3040757 .
  22. ^ Ровенич, Х; Зуккаро, А; Томма, BP (декабрь 2016 г.). «Конвергентная эволюция нитчатых микробов в направлении уклонения от гликанового иммунитета». Новый фитолог . 212 (4): 896–901. дои : 10.1111/nph.14064 . ПМИД  27329426.
  23. ^ аб Кеттлс, Дж. Дж.; Канюка, К. (15 апреля 2016 г.). «Анализ молекулярных взаимодействий между пшеницей и грибковым возбудителем Zymoseptoria tritici». Границы в науке о растениях . 7 : 508. doi : 10.3389/fpls.2016.00508 . ПМЦ 4832604 . ПМИД  27148331. 
  24. ↑ Бриггс, DEG (29 января 1999 г.). «Молекулярная тафономия кутикулы животных и растений: селективная консервация и диагенез». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 354 (1379): 7–17. дои : 10.1098/rstb.1999.0356. ПМК 1692454 . 
  25. ^ Эль Хадрами, А; Адам, ЛР; Эль Хадрами, я; Даайф, Ф (2010). «Хитозан в защите растений». Морские наркотики . 8 (4): 968–987. дои : 10.3390/md8040968 . ПМЦ 2866471 . ПМИД  20479963. 
  26. ^ Дебоде, Джейн; Де Тендер, Кэролайн; Солтанинежад, Саман; Ван Малдергем, Чинция; Хегеман, Аннелис; Ван дер Линден, Инге; Коттин, Барт; Хейндрикс, Марк; Мэйс, Мартина (21 апреля 2016 г.). «Хитин, смешанный с горшечной почвой, изменяет рост салата, выживание зоонозных бактерий на листьях и связанную с этим микробиологию ризосферы». Границы микробиологии . 7 : 565. дои : 10.3389/fmicb.2016.00565 . ISSN  1664-302X. ПМЦ 4838818 . ПМИД  27148242. 
  27. ^ Саратчандра, SU; Уотсон, Р.Н.; Кокс, Северная Каролина; ди Менна, Мэн; Браун, Дж.А.; Берч, Г.; Невилл, Ф.Дж. (1 мая 1996 г.). «Влияние хитинового внесения в почву на микроорганизмы, нематоды и рост клевера белого ( Trifolium repens L.) и райграса многолетнего ( Lolium perenne L.)». Биология и плодородие почв . 22 (3): 221–226. дои : 10.1007/BF00382516. ISSN  1432-0789. S2CID  32594901.
  28. ^ Цумаки, Мария В.; Мошакис, Томас; Киоссеоглу, Василиос; Билиадерис, Костас Г. (август 2011 г.). «Эмульсии масла в воде, стабилизированные частицами нанокристаллов хитина». Пищевые гидроколлоиды . 25 (6): 1521–1529. doi :10.1016/j.foodhyd.2011.02.008. ISSN  0268-005X.
  29. ^ Шахиди, Ф.; Араччи, JKV; Чон, Ю.-Дж. (1999). «Пищевое применение хитина и хитозанов». Тенденции в пищевой науке и технологиях . 10 (2): 37–51. дои : 10.1016/s0924-2244(99)00017-5.
  30. ^ Хосокава, Джун; Нисияма, Масаси; Ёшихара, Кадзутоши; Кубо, Такамаса (май 1990 г.). «Биоразлагаемая пленка, полученная из хитозана и гомогенизированной целлюлозы». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 29 (5): 800–805. дои : 10.1021/ie00101a015. ISSN  0888-5885.
  31. ^ Геллштедт, Микаэль; Броттман, Анджела; Хеденквист, Микаэль С. (июль 2005 г.). «Упаковочные свойства бумаги, покрытой белками и хитозаном». Упаковочные технологии и наука . 18 (4): 161–170. дои : 10.1002/pts.685. ISSN  0894-3214. S2CID  96578009.
  32. ^ Гомес-Касадо, Кристина; Диас-Пералес, Арасели; Хеденквист, Микаэль С. (01 октября 2016 г.). «Аллерген-ассоциированные иммуномодуляторы: изменение результата аллергии». Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis . 64 (5): 339–347. дои : 10.1007/s00005-016-0401-2. ISSN  1661-4917. PMID  27178664. S2CID  15221318.
  33. ^ Кападнис, Гаурав; Дей, Аномитра; Дандекар, Праджакта; Джайн, Ратнеш (июнь 2019 г.). «Влияние степени деацетилирования на растворимость низкомолекулярного хитозана, полученного путем ферментативного расщепления хитозана». Полимер Интернэшнл . 68 (6): 1054–1063. дои : 10.1002/pi.5795. ISSN  0959-8103. S2CID  104427459.
  34. ^ Десаи, Ранджит; Пачпур, Радхика; Патил, Ашвини; Джайн, Ратнеш; Дандекар, Праджакта (2021), Джаякумар, Р.; Прабахаран, М. (ред.), «Обзор структуры хитозана в контексте других полимеров на основе сахара», Хитозан для биоматериалов III , Cham: Springer International Publishing, vol. 287, стр. 23–74, номер документа : 10.1007/12_2021_89, ISBN. 978-3-030-83806-5, S2CID  244341955 , получено 19 декабря 2022 г.
  35. ^ Чунг, RC; Нг, ТБ; Вонг, Дж. Х.; Чан, Вайоминг (2015). «Хитозан: обновленная информация о потенциальных биомедицинских и фармацевтических применениях». Морские наркотики . 13 (8): 5156–5186. дои : 10.3390/md13085156 . ПМК 4557018 . ПМИД  26287217. 
  36. ^ Дюшен, Пол; Хили, Кевин; Хутмахер, Дитмар Э.; Грейнджер, Дэвид В.; Киркпатрик, К. Джеймс, ред. (2011). Комплексные биоматериалы. Амстердам: Эльзевир. п. 230. ИСБН 9780080552941.
  37. ^ «Исследователи Гарварда разрабатывают биопластик, изготовленный из панцирей креветок» . Фокс Ньюс. 16 мая 2014 года . Проверено 24 мая 2014 г.
  38. ^ Ифуку, Синсуке (2014). «Хитин и хитозановые нановолокна: получение и химические модификации». Молекулы . 19 (11): 18367–80. дои : 10.3390/molecules191118367 . ПМК 6271128 . ПМИД  25393598. 
  39. ^ Шивэй, Нг; Дрицас, Стилианос; Фернандес, Хавьер Г. (16 сентября 2020 г.). «Марсианский биолит: биоинспирированный реголитовый композит для внеземного производства по замкнутому циклу». ПЛОС ОДИН . 15 (9): e0238606. Бибкод : 2020PLoSO..1538606S. дои : 10.1371/journal.pone.0238606 . ПМЦ 7494075 . ПМИД  32936806. 
Викискладе есть медиафайлы по теме хитина .