Chitine - Chitin

Structure de la molécule de chitine, montrant deux des unités N- acétylglucosamine qui se répètent pour former de longues chaînes dans la liaison β-(1→4).
Projection de Haworth de la molécule de chitine.
Un gros plan de l'aile d'une cicadelle ; l'aile est composée de chitine.

La chitine ( C 8 H 13 O 5 N ) n ( / k t ɪ n / KY TiN ) est une longue chaîne polymère de N - acétylglucosamine , d' un dérivé d'amide de glucose . Ce polysaccharide est un composant principal de parois cellulaires de champignons , les exosquelettes de arthropodes , tels que les crustacés et les insectes , les radulaede mollusques , de becs de céphalopodes et de glaïeuls , et d'écailles de poisson et de peau de lissamphibiens , ce qui en fait le deuxième polysaccharide le plus abondant dans la nature, derrière la seule cellulose . La structure de la chitine est comparable à celle de la cellulose, formant des nanofibrilles ou moustaches cristallines. Elle est fonctionnellement comparable à la protéine kératine . La chitine s'est avérée utile à plusieurs fins médicinales, industrielles et biotechnologiques.

Étymologie

Le mot anglais « chitin » vient du mot français chitine , qui a été dérivé en 1821 du mot grec χιτών ( khitōn ) signifiant couverture.

Un mot similaire, " chiton ", désigne un animal marin avec une carapace protectrice.

Chimie, propriétés physiques et fonction biologique

Configurations chimiques des différents monosaccharides (glucose et N-acétylglucosamine) et polysaccharides (chitine et cellulose) présentés dans la projection Haworth

La structure de la chitine a été déterminée par Albert Hofmann en 1929. Hofmann a hydrolysé la chitine en utilisant une préparation brute de l'enzyme chitinase, qu'il a obtenue à partir de l'escargot Helix pomatia .

La chitine est un polysaccharide modifié qui contient de l'azote; il est synthétisé à partir d'unités de N- acétyl- D- glucosamine (pour être précis, 2-(acétylamino)-2-désoxy- D- glucose). Ces unités forment des liaisons covalentes β-(1→4) (comme les liaisons entre les unités glucose formant la cellulose ). Par conséquent, la chitine peut être décrite comme la cellulose avec un groupe hydroxyle groupe sur chaque monomère remplacé par un groupe acétyle amine groupe. Cela permet une liaison hydrogène accrue entre les polymères adjacents , donnant à la matrice chitine-polymère une résistance accrue.

Une cigale émerge de son exosquelette larvaire chitineux.

Sous sa forme pure et non modifiée, la chitine est translucide, souple, résistante et assez résistante. Dans la plupart des arthropodes , cependant, il est souvent modifié, se produisant en grande partie en tant que composant de matériaux composites , comme dans la sclérotine , une matrice protéinée bronzée , qui forme une grande partie de l' exosquelette des insectes . Combinée au carbonate de calcium , comme dans les carapaces de crustacés et de mollusques , la chitine produit un composite beaucoup plus résistant. Ce matériau composite est beaucoup plus dur et rigide que la chitine pure, et est plus résistant et moins cassant que le carbonate de calcium pur . Une autre différence entre les formes pures et composites peut être observée en comparant la paroi corporelle flexible d'une chenille (principalement de la chitine) à l' élytre rigide et léger d'un coléoptère (contenant une grande proportion de sclérotine ).

Dans les écailles des ailes de papillon, la chitine est organisée en piles de gyroïdes constitués de cristaux photoniques de chitine qui produisent diverses couleurs irisées servant de signalisation phénotypique et de communication pour l'accouplement et la recherche de nourriture. La construction gyroïde de chitine élaborée dans les ailes de papillon crée un modèle de dispositifs optiques ayant un potentiel d'innovation en biomimétisme . Les scarabées du genre Cyphochilus utilisent également la chitine pour former des écailles extrêmement fines (cinq à quinze micromètres d' épaisseur) qui réfléchissent de manière diffuse la lumière blanche. Ces écailles sont des réseaux de filaments de chitine ordonnés aléatoirement avec des diamètres à l'échelle de la centaine de nanomètres , qui servent à diffuser la lumière. On pense que la diffusion multiple de la lumière joue un rôle dans la blancheur inhabituelle des écailles. De plus, certaines guêpes sociales, telles que Protopolybia chartergoides , sécrètent oralement un matériau contenant majoritairement de la chitine pour renforcer les enveloppes extérieures du nid, composées de papier.

Le chitosane est produit commercialement par désacétylation de la chitine; le chitosane est soluble dans l'eau, contrairement à la chitine.

Des nanofibrilles ont été fabriquées à partir de chitine et de chitosane.

Effets sur la santé

Les organismes producteurs de chitine comme les protozoaires , les champignons , les arthropodes et les nématodes sont souvent des agents pathogènes chez d'autres espèces.

Humains et autres mammifères

Les humains et autres mammifères possèdent de la chitinase et des protéines de type chitinase qui peuvent dégrader la chitine ; ils possèdent également plusieurs récepteurs immunitaires capables de reconnaître la chitine et ses produits de dégradation dans un schéma moléculaire associé à un agent pathogène , initiant une réponse immunitaire .

La chitine est détectée principalement dans les poumons ou le tractus gastro-intestinal où elle peut activer le système immunitaire inné par le biais des éosinophiles ou des macrophages , ainsi qu'une réponse immunitaire adaptative par les cellules T auxiliaires . Les kératinocytes de la peau peuvent également réagir à la chitine ou à des fragments de chitine. Selon des études in vitro, la chitine est détectée par des récepteurs tels que FIBCD1 , KLRB1 , REG3G , Toll-like receptor 2 , CLEC7A et les récepteurs du mannose .

La réponse immunitaire peut parfois éliminer la chitine et son organisme associé, mais parfois la réponse immunitaire est pathologique et devient une allergie ; On pense que l' allergie aux acariens est due à une réponse à la chitine.

Les plantes

Les plantes ont également des récepteurs qui peuvent provoquer une réponse à la chitine, à savoir la kinase 1 du récepteur éliciteur de chitine et la protéine de liaison à l'éliciteur de chitine. Le premier récepteur de la chitine a été cloné en 2006. Lorsque les récepteurs sont activés par la chitine, les gènes liés à la défense des plantes sont exprimés et les hormones du jasmonate sont activées, lesquelles activent à leur tour les défenses systématiques. Les champignons commensaux ont des moyens d'interagir avec la réponse immunitaire de l'hôte qui, en 2016, n'étaient pas bien compris.

Certains agents pathogènes produisent des protéines de liaison à la chitine qui masquent la chitine qu'ils libèrent de ces récepteurs. Zymoseptoria tritici est un exemple d'agent pathogène fongique qui possède de telles protéines de blocage ; c'est un ravageur majeur des cultures de blé .

Dossier fossile

La chitine était probablement présente dans les exosquelettes des arthropodes cambriens tels que les trilobites . La plus ancienne chitine conservée date de l' Oligocène , il y a environ 25  millions d'années , consistant en un scorpion enfermé dans de l' ambre .

Les usages

Agriculture

La chitine est un bon inducteur des mécanismes de défense des plantes pour lutter contre les maladies . Il peut être utilisé comme engrais ou conditionneur de sol pour améliorer la fertilité et la résilience des plantes, ce qui peut améliorer les rendements des cultures.

Industriel

La chitine est utilisée dans l'industrie dans de nombreux procédés. Des exemples d'utilisations potentielles de la chitine chimiquement modifiée dans la transformation des aliments comprennent la formation de films comestibles et comme additif pour épaissir et stabiliser les aliments et les émulsions alimentaires. Les procédés d' encollage et de renforcement du papier utilisent de la chitine et du chitosane.

Recherche

Comment la chitine interagit avec le système immunitaire des plantes et des animaux a été un domaine de recherche actif, y compris l'identité des récepteurs clés avec lesquels la chitine interagit, si la taille des particules de chitine est pertinente pour le type de réponse immunitaire déclenchée, et les mécanismes par lesquels les systèmes immunitaires réagissent. La chitine et le chitosane ont été explorés comme adjuvant de vaccin en raison de leur capacité à stimuler une réponse immunitaire.

La chitine et le chitosane sont en cours de développement en tant qu'échafaudages dans les études sur la croissance des tissus et la cicatrisation des plaies , et dans les efforts visant à inventer de meilleurs bandages , fils chirurgicaux et matériaux pour l' allotransplantation . Les sutures en chitine sont explorées depuis de nombreuses années, mais en 2015, aucune n'était sur le marché ; leur manque d'élasticité et les problèmes de fabrication du fil ont empêché le développement commercial.

En 2014, une méthode d'utilisation du chitosane comme forme reproductible de plastique biodégradable a été introduite. Les nanofibres de chitine sont extraites de déchets de crustacés et de champignons pour le développement éventuel de produits dans l' ingénierie tissulaire , la médecine et l'industrie.

En 2020, la chitine a été proposée pour une utilisation dans la construction de structures, d'outils et d'autres objets solides à partir d'un matériau composite de chitine combiné à du régolithe martien . Dans ce scénario, les biopolymères de la chitine agissent comme liant pour l' agrégat de régolithe pour former un matériau composite semblable à du béton . Les auteurs pensent que les déchets de la production alimentaire (par exemple les écailles de poisson, les exosquelettes de crustacés et d'insectes, etc.) pourraient être utilisés comme matière première pour les processus de fabrication.

Voir également

Les références