Chitin - Chitin

Nesmí být zaměňována s chiton, chitlin nebo keratin.
O vesnici v Íránu viz Chetan, Írán.

Struktura molekuly chitinu, ukazující dva z N-acetylglukosamin jednotky, které se opakují a vytvářejí dlouhé řetězce ve spojení β- (1 → 4).
Haworthova projekce molekuly chitinu.
Detailní pohled na křídlo a křísek; křídlo je složeno z chitinu.

Chitin (C8H13Ó5N )n (/ˈkaɪtɪn/ KY-cín ) je dlouhý řetězec polymer z N-acetylglukosamin, derivát glukóza. Tento polysacharid je primární složkou buněčné stěny v houby, exoskeletony z členovci, jako korýši a hmyz, radulae z měkkýši, zobáky hlavonožců a váhy Ryba a lissamphibians.[1] Struktura chitinu je srovnatelná s jiným polysacharidem, celulóza, tvořící krystalické nanofibrily nebo vousy. Je funkčně srovnatelný s proteinem keratin. Chitin se ukázal být užitečný pro několik lékařských, průmyslových a biotechnologických účelů.

Etymologie

Anglické slovo „chitin“ pochází z francouzština slovo chitin, který byl odvozen v roce 1821 z řecký slovo χιτών (khitōn) což znamená krytí.[2]

Podobné slovo „chiton ", označuje mořského živočicha s ochrannou skořápkou."

Chemie, fyzikální vlastnosti a biologické funkce

Chemické konfigurace různých monosacharidů (glukóza a N-acetylglukosamin) a polysacharidů (chitin a celulóza) uvedené v Haworthova projekce

Struktura chitinu byla určena Albert Hofmann v roce 1929. Hofmann hydrolyzoval chitin pomocí surového přípravku enzymu chitinázy, který získal ze šneka Helix pomatia.[3][4][5]

Chitin je upravený polysacharid který obsahuje dusík; to je syntetizován z jednotek N-acetyl-D-glukosamin (abych byl přesný, 2- (acetylamino) -2-deoxy-D-glukóza). Tyto jednotky tvoří kovalentní β- (1 → 4) -linky (jako vazby mezi glukóza jednotky tvořící celulóza ). Chitin lze tedy popsat jako celulóza s jedním hydroxyl skupina na každém monomer nahrazeno znakem acetyl amin skupina. To umožňuje zvýšení vodíkové vazby mezi sousedními polymery, čímž se zvýšila pevnost matrice chitin-polymer.

A cikáda vychází z jeho chitinózního larválního exoskeletonu.

Ve své čisté, nemodifikované formě je chitin průsvitný, poddajný, odolný a docela odolný. Ve většině členovci, nicméně, to je často upraveno, vyskytovat se velmi jako součást kompozitní materiály, například v sklerotin, opálený bílkovinné matice, která tvoří velkou část exoskeleton z hmyz. Zkombinováno s uhličitan vápenatý, jako ve skořápkách korýši a měkkýši, chitin produkuje mnohem silnější kompozit. Tento kompozitní materiál je mnohem tvrdší a tužší než čistý chitin a je tvrdší a méně křehký než čistý. uhličitan vápenatý.[6] Další rozdíl mezi čistými a složenými formami lze vidět porovnáním pružné stěny těla a housenka (hlavně chitin) na tuhý, lehký elytron a brouk (obsahující velký podíl sklerotin ).[7]

V stupnicích motýlích křídel je chitin uspořádán do hromádek gyroidy vyrobeno z chitinu fotonické krystaly které vyrábějí různé duhové barvy sloužící fenotypový signalizace a komunikace pro páření a shánění potravy.[8] Propracovaná konstrukce chitinového gyroidu v motýlích křídlech vytváří model optických zařízení s potenciálem pro inovace biomimikry.[8] Scarab brouci v rodu Cyphochilus také využívejte chitin k extrémně tenké formě váhy (pět až patnáct mikrometry tlusté), které difúzně odrážejí bílé světlo. Tyto váhy jsou sítě náhodně uspořádaných chitinových vláken o průměrech stovek nanometry, které slouží k rozptylu světla. The vícenásobný rozptyl Předpokládá se, že světlo hraje roli v neobvyklé bělosti šupin.[9][10] Kromě toho některé sociální vosy, jako např Protopolybia chartergoides, orálně vylučuje materiál obsahující převážně chitin k vyztužení vnějších obálek hnízda, složený z papíru.[11]

Chitosan je komerčně vyráběn společností deacetylace chitinu; chitosan je rozpustný ve vodě, zatímco chitin není.[12]

Nanofibrily byly vyrobeny z chitinu a chitosanu.[13]

Zdravé efekty

Organismy produkující chitin mají rádi prvoky, houby, členovci, a hlístice jsou často patogeny u jiných druhů.[14]

Lidé a další savci

Lidé a další savci ano chitináza a proteiny podobné chitináze které mohou degradovat chitin; také vlastní několik imunitní receptory který dokáže rozpoznat chitin a jeho produkty rozkladu v a s patogenem spojený molekulární vzorec, zahájení imunitní odpověď.[14]

Chitin je snímán většinou v plicích nebo gastrointestinální trakt kde může aktivovat vrozený imunitní systém přes eosinofily nebo makrofágy, stejně jako adaptivní imunitní odpověď přes T pomocník buňky.[14] Keratinocyty v kůži může také reagovat na chitin nebo fragmenty chitinu.[14] Podle studií in vitro je chitin snímán receptory, jako jsou FIBCD1, KLRB1, REG3G, Mýtný receptor 2, CLEC7A, a manosové receptory.[14][15]

Imunitní odpověď může někdy vyčistit chitin a jeho přidružený organismus, ale někdy je imunitní odpověď patologická a stává se alergie;[16] alergie na roztoči domácího prachu se předpokládá, že je poháněn reakcí na chitin.[15]

Rostliny

Rostliny také mají receptory, které mohou způsobit reakci na chitin, jmenovitě chitin elicitor receptor kináza 1 a chitin elicitor vázající protein.[14] První chitinový receptor byl klonován v roce 2006.[17] Když jsou receptory aktivovány chitinem, jsou exprimovány geny související s obranou rostlin a jasmonát aktivují se hormony, které zase aktivují systematickou obranu.[18] Commensal houby mají způsoby interakce s imunitní odpovědí hostitele od roku 2016 nebyly dobře pochopeny.[17]

Některé patogeny produkují proteiny vázající chitin, které maskují chitin, který vylučují z těchto receptorů.[18][19] Zymoseptoria tritici je příkladem houbového patogenu, který má takové blokující proteiny; je to hlavní škůdce v pšenice plodiny.[20]

Fosilní záznam

Další informace o konzervačním potenciálu chitinu a dalších biopolymerů viz taphonomy.

Chitin byl pravděpodobně přítomen v exoskeletonech Kambrijský členovci jako např trilobiti. Nejstarší dochovaný chitin se datuje do Oligocen, o 25 před miliony let, skládající se ze štíra uzavřeného v jantar.[21]

Použití

Zemědělství

Chitin je dobrým induktorem rostlin obranné mechanismy pro ovládání nemoci.[22] Má potenciál pro použití jako půda hnojivo nebo kondicionér zlepšit plodnost a odolnost rostlin, které mohou zvýšit výnosy plodin.[23][24]

Průmyslový

Chitin se používá v průmyslu v mnoha procesech. Příklady možného použití chemicky modifikovaného chitinu v zpracování potravin zahrnují tvorbu jedlých filmů a jako přísadu k zahušťování a stabilizaci potravin a potravinových emulzí.[25][26] Procesy do velikost a posilovat papír zaměstnávají chitin a chitosan.[27][28]

Výzkum

Jak chitin interaguje s imunitní systém rostlin a živočichů je aktivní oblastí výzkumu, včetně identity klíče receptory s nimiž chitin interaguje, ať už je velikost chitinových částic relevantní pro druh spuštěné imunitní odpovědi, a mechanismy, kterými imunitní systém reaguje.[16][20] Chitin a chitosan byly prozkoumány jako vakcínové adjuvans díky své schopnosti stimulovat imunitní odpověď.[14]

Chitin a chitosan jsou ve vývoji jako lešení ve studiích o tom, jak tkáň roste a jak rány se hojí a ve snaze vynalézt lépe obvazy, chirurgická nit a materiály pro alotransplantace.[12][29] Stehy vyrobené z chitinu byly zkoumány již mnoho let, ale od roku 2015, žádné nebyly na trhu; jejich nedostatek pružnosti a problémy s vytvářením vláken bránily komerčnímu rozvoji.[30]

V roce 2014 způsob použití chitosan jako reprodukovatelná forma biologicky odbouratelný byl zaveden plast.[31] Chitin nanovlákna jsou extrahovány z odpadu korýšů a hub pro možný vývoj produktů v tkáňové inženýrství, medicína a průmysl.[32]

V roce 2020 byl chitin navržen pro použití ve stavebních konstrukcích, nástrojích a jiných pevných objektech z a Kompozitní materiál chitinu v kombinaci s Marťanský regolit.[33] V tomto scénáři biopolymery v chitinu působí jako pořadač pro regolit agregát vytvořit a beton -jako Kompozitní materiál. Autoři se domnívají, že odpadní materiály z výroby potravin (např. Šupiny z ryb, exoskeletony z korýšů a hmyzu atd.) By mohly být použity jako surovina pro výrobní procesy.

Viz také

Reference

  1. ^ Tang, WJ; Fernandez, JG; Sohn, JJ; Amemiya, CT (2015). „Chitin je endogenně produkován u obratlovců“. Curr Biol. 25 (7): 897–900. doi:10.1016 / j.cub.2015.01.058. PMC  4382437. PMID  25772447.
  2. ^ Odier, Auguste (1823). „Mémoire sur la composition chimique des parties cornées des insectes“ Monografie o chemickém složení nadržených částí hmyzu. Mémoires de la Société d'Histoire Naturelle de Paris (francouzsky). předloženo: 1821. 1: 29–42. la Chitin (c'est ainsi que je nomme cette substance de chiton, χιτον, enveloppe… [chitin (tedy je to, že tuto látku pojmenuji od chiton, χιτον, krycí)] ""
  3. ^ Hofmann, A. (1929). Über den enzymatischen Abbau des Chitins und Chitosans [O enzymatické degradaci chitinu a chitosanu] (Teze). Curych, Švýcarsko: University of Zurich.
  4. ^ Karrer, P .; Hofmann, A. (1929). „Polysacharid XXXIX. Über den enzymatischen Abbau von Chitin and Chitosan I“. Helvetica Chimica Acta (v němčině). 12 (1): 616–637. doi:10,1002 / hlca.19290120167.
  5. ^ Finney, Nathaniel S .; Siegel, Jay S. (2008). „In Memoriam: Albert Hofmann (1906-2008)“ (PDF). Chimia. University of Zurich. 62 (5): 444–447. doi:10.2533 / chimia.2008.444.
  6. ^ Campbell, N.A. (1996) Biologie (4. vydání) Benjamin Cummings, New Work. str.69 ISBN  0-8053-1957-3
  7. ^ Gilbert, Lawrence I. (2009). Vývoj hmyzu: morfogeneze, línání a metamorfóza. Amsterdam Boston: Elsevier / Academic Press. ISBN  978-0-12-375136-2.
  8. ^ A b Saranathan V, Osuji CO, Mochrie SG, Noh H, Narayanan S, Sandy A, Dufresne ER, Prum RO (2010). „Struktura, funkce a vlastní montáž fotonických krystalů gyroidu (I4132) v jediné síti v měřítcích křídla motýla“. Proc Natl Acad Sci U S A. 107 (26): 11676–81. Bibcode:2010PNAS..10711676S. doi:10.1073 / pnas.0909616107. PMC  2900708. PMID  20547870.
  9. ^ Dasi Espuig M (16. srpna 2014). „Bělost brouků pochopena“. BBC News: Věda a životní prostředí. Citováno 15. listopadu 2014.
  10. ^ Burresi, Matteo; Cortese, Lorenzo; Pattelli, Lorenzo; Kolle, Mathias; Vukusic, Peter; Wiersma, Diederik S .; Steiner, Ullrich; Vignolini, Silvia (2014). „Jasně bílé váhy brouků optimalizují vícenásobný rozptyl světla“. Vědecké zprávy. 4: 6075. Bibcode:2014NatSR ... 4E6075B. doi:10.1038 / srep06075. PMC  4133710. PMID  25123449.
  11. ^ Kudô, K. Materiály hnízd a některé chemické vlastnosti hnízd polské vosy zakládající roj nového světa (Hymenoptera Vespidae). Etologie, ekologie a evoluce 13. 4. 2001: 351-360. Dipartimento di biologia animale e genetica, Università di Firenze. 16. října 2014.
  12. ^ A b Bedian, L; Villalba-Rodríguez, AM; Hernández-Vargas, G; Parra-Saldivar, R; Iqbal, HM (květen 2017). „Biologické materiály s novými vlastnostmi pro aplikace tkáňového inženýrství - přehled“. International Journal of Biological Makromolecules. 98: 837–846. doi:10.1016 / j.ijbiomac.2017.02.048. PMID  28223133.
  13. ^ Jeffryes, C; Agathos, SN; Rorrer, G (červen 2015). "Biogenní nanomateriály z fotosyntetických mikroorganismů". Aktuální názor na biotechnologie. 33: 23–31. doi:10.1016 / j.copbio.2014.10.005. PMID  25445544.
  14. ^ A b C d E F G Elieh Ali Komi, D; Sharma, L; Dela Cruz, CS (1. března 2017). „Chitin a jeho účinky na zánětlivé a imunitní reakce“. Klinické recenze v alergii a imunologii. 54 (2): 213–223. doi:10.1007 / s12016-017-8600-0. PMC  5680136. PMID  28251581.
  15. ^ A b Gour, N; Lajoie, S (září 2016). „Regulace epiteliálních buněk u alergických chorob“. Aktuální zprávy o alergii a astmatu. 16 (9): 65. doi:10.1007 / s11882-016-0640-7. PMC  5956912. PMID  27534656.
  16. ^ A b Gómez-Casado, C; Díaz-Perales, A (říjen 2016). „Imunomodulátory asociované s alergeny: úprava výsledku alergie“. Archivum Immunologiae et Therapiae Experimentalis. 64 (5): 339–47. doi:10.1007 / s00005-016-0401-2. PMID  27178664. S2CID  15221318.
  17. ^ A b Sánchez-Vallet, A; Mesters, JR; Thomma, BP (březen 2015). „Bitva o uznání chitinu v interakcích rostlin a mikrobů“. Recenze mikrobiologie FEMS. 39 (2): 171–83. doi:10.1093 / femsre / fuu003. ISSN  0168-6445. PMID  25725011.
  18. ^ A b Sharp, Russell G. (21. listopadu 2013). „Přehled aplikací chitinu a jeho derivátů v zemědělství k úpravě rostlinných a mikrobiálních interakcí a zlepšení výnosů plodin“. Agronomie. 3 (4): 757–793. doi:10,3390 / agronomy3040757.
  19. ^ Rovenich, H; Zuccaro, A; Thomma, BP (prosinec 2016). „Konvergentní vývoj vláknitých mikrobů směrem k úniku imunity vyvolané glykany“. Nový fytolog. 212 (4): 896–901. doi:10.1111 / nph.14064. PMID  27329426.
  20. ^ A b Konvice, GJ; Kanyuka, K (15. dubna 2016). „Disekce molekulárních interakcí mezi pšenicí a houbovým patogenem Zymoseptoria tritici“. Hranice ve vědě o rostlinách. 7: 508. doi:10.3389 / fpls.2016.00508. PMC  4832604. PMID  27148331.
  21. ^ Briggs, DEG (29. ledna 1999). „Molekulární taphonomie živočišných a rostlinných kůžiček: selektivní konzervace a diageneze“. Filozofické transakce Královské společnosti B: Biologické vědy. 354 (1379): 7–17. doi:10.1098 / rstb.1999.0356. PMC  1692454.
  22. ^ El Hadrami, A; Adam, L. R .; El Hadrami, I; Daayf, F (2010). „Chitosan v ochraně rostlin“. Marine Drugs. 8 (4): 968–987. doi:10,3390 / md8040968. PMC  2866471. PMID  20479963.
  23. ^ Debode, Jane; De Tender, Caroline; Soltaninejad, Saman; Van Malderghem, Cinzia; Haegeman, Annelies; Van der Linden, Inge; Cottyn, Bart; Heyndrickx, Marc; Maes, Martine (2016-04-21). „Chitin smíchaný v zalévání půdy mění růst salátu, přežití zoonotických bakterií na listech a související mikrobiologii rhizosféry“. Hranice v mikrobiologii. 7: 565. doi:10.3389 / fmicb.2016.00565. ISSN  1664-302X. PMC  4838818. PMID  27148242.
  24. ^ Sarathchandra, S.U .; Watson, R. N .; Cox, N.R .; di Menna, M. E.; Brown, J. A .; Burch, G .; Neville, F. J. (01.05.1996). „Účinky chitinové úpravy půdy na mikroorganismy, hlístice a růst jetele bílého (Trifolium repens L.) a vytrvalá jitrocel (Lolium perenne L.) ". Biologie a plodnost půd. 22 (3): 221–226. doi:10.1007 / BF00382516. ISSN  1432-0789. S2CID  32594901.
  25. ^ Tzoumaki, Maria V .; Moschakis, Thomas; Kiosseoglou, Vassilios; Biliaderis, Costas G. (srpen 2011). "Emulze typu olej ve vodě stabilizované částicemi nanočástic chitinu". Potravinové hydrokoloidy. 25 (6): 1521–1529. doi:10.1016 / j.foodhyd.2011.02.008. ISSN  0268-005X.
  26. ^ Shahidi, F .; Arachchi, J.K.V .; Jeon, Y.-J. (1999). "Potravinové aplikace chitinu a chitosanů". Trendy v potravinářské vědě a technologii. 10 (2): 37–51. doi:10.1016 / s0924-2244 (99) 00017-5.
  27. ^ Hosokawa J, Nishiyama M, Yoshihara K, Kubo T (1990). "Biologicky odbouratelný film odvozený od chitosanu a homogenizované celulózy". Ind. Eng. Chem. Res. 44: 646–650.
  28. ^ Gaellstedt M, Brottman A, Hedenqvist MS (2005). "Vlastnosti související s obalem bílkovin a papíru potaženého chitosanem". Obalová technologie a věda. 18: 160–170.
  29. ^ Cheung, R. C .; Ng, T. B .; Wong, J. H .; Chan, W. Y. (2015). „Chitosan: aktualizace potenciálních biomedicínských a farmaceutických aplikací“. Marine Drugs. 13 (8): 5156–5186. doi:10,3390 / md13085156. PMC  4557018. PMID  26287217.
  30. ^ Ducheyne, Paul; Healy, Kevin; Hutmacher, Dietmar E .; Grainger, David W .; Kirkpatrick, C. James, eds. (2011). Komplexní biomateriály. Amsterdam: Elsevier. p. 230. ISBN  9780080552941.
  31. ^ „Harvardští vědci vyvíjejí bioplasty vyrobené ze skořápek krevet“. Fox News. 16. května 2014. Citováno 24. května 2014.
  32. ^ Ifuku, Shinsuke (2014). „Chitinová a chitosanová nanovlákna: příprava a chemické úpravy“. Molekuly. 19 (11): 18367–80. doi:10,3390 / molekuly191118367. PMC  6271128. PMID  25393598.
  33. ^ Shiwei, Ng; Dritsas, Stylianos; Fernandez, Javier G. (16. září 2020). „Martian biolith: Bioinspired regolith composite for closed-loop mimozemská výroba“. PLOS One. 15 (9). doi:10.1371 / journal.pone.0238606.