Quitosano: estructura, propiedades, usos, ventajas
¿Qué es el quitosano?
El quitosano es un polisacárido que se origina a partir de la quitina, uno de los polímeros naturales más abundantes en la naturaleza. La quitina, por su parte, está formada por monómeros de D-acetilglucosamina, unidos por enlaces β1-4, siendo descubierta en 1811 por Bracconot.
La quitina se encuentra en la cáscara de los crustáceos (cangrejos, langostas, etc.), insectos, arácnidos, en la pared de algunos hongos, en algas verdes y protozoarios. En 1859, Rouguet trató la quitina con hidróxido de potasio, de lo cual obtuvo un polisacárido que Hoppe-Seller denominó luego como quitosano.
El hidróxido de sodio o de potasio produce la desacetilación de la quinina, transformando la D-acetilglucosamina en D-glucosamina: el otro monómero que componen el quitosano, el cual se encuentra desacetilado entre un 60 a 100 %. Por lo tanto, el quitosano contiene mayor cantidad de D-glucosamina que de D-acetilglucosamina.
Una de las principales diferencias entre la quitina y el quitosano, en términos estructurales y de interacciones intermoleculares, es que las cadenas polisacáridas del quitosano se mantienen unidas con mayor fuerza que las de la quitina; esto debido precisamente a la presencia de los grupos acetilos.
El quitosano asimismo tiene una ligera carga positiva debido a la amina presente en la D-glucosamina, lo que le permite interaccionar con superficies cargadas negativamente, como las membranas de las mucosas. Esta propiedad permite que el quitosano pueda ser usado para transportar sustancias a través de las membranas.
El quitosano tiene además otros numerosos usos, tales como servir de fungicida, protector del vino, en la limitación del sangrado, en la purificación del agua, etc.
Estructura del quitosano
El quitosano es un polisacárido lineal con una estructura semejante a la de la celulosa. Sin embargo, uno de los grupos hidroxilo de la glucosa es sustituido por un grupo amino (–NH2) o un grupo acetilamino (-HNOCH3). El quitosano está formado por unidades desacetiladas (anaranjadas) y unidades acetiladas (azul), distribuidas al azar (ver imagen superior).
Estas unidades se unen mediante enlaces β-1-4. Las unidades desacetiladas están formadas por moléculas de D-glucosamina, mientras las unidades acetiladas lo están por moléculas de D-acetilglucosamina. El quitosano tiene un grado de desacetilación comprendido entre un 60 y un 100 %.
Esto señala que la D-glucosamina se encuentra en mayor proporción que la D-acetilglucosamina. Entonces, puede considerarse que el quitosano es un polisacárido formado principalmente por unidades desacetiladas, constituidas por moléculas de D-glucosamina unidas por enlaces β-1-4.
Propiedades del quitosano
Peso molecular
Su peso molecular está comprendido entre 3×105 y 1×106 g/mol, dependiendo de la fuente de quitina a partir de la cual se obtiene el quitasano. Es decir, que sus cadenas polisacáridas son de gran tamaño.
Composición química elemental
-Carbono: 44.11 %
-Hidrógeno: 6.84 %
-Nitrógeno: 7.97 %
Como puede verse, se trata de un polisacárido considerablemente nitrogenado.
Aspecto físico
Se presenta en forma de copos o polvo molido de color blanco o blanco cremoso. También aparece como una hoja translúcida blanca o blanquecina.
Sabor y olor
El quitosano es inodoro e insípido.
Punto de fusión
102.5 ºC
Densidad
1 g/cm3
Solubilidad
Es insoluble en agua y álcali. Es muy soluble en la mayoría de los ácidos diluidos (pH 6.5), incluyendo el ácido fórmico, el ácido acético y el ácido clorhídrico.
Estabilidad
Es estable a temperatura ambiente, y bajo la protección del gas nitrógeno, puede soportar una temperatura de 250 ºC sin experimentar descomposición. Es incompatible con los agentes oxidantes fuertes.
Carga eléctrica
El grupo amino del quitosano tiene un pKa de 6.5. Esto le confiere al quitosano una ligera carga positiva y una relativa solubilidad en un medio ácido o neutro. El quitosano es bioadhesivo que puede unirse a superficies cargadas negativamente, como es el caso de las células epiteliales.
El quitosano es un policatión que puede formar complejos con moléculas cargadas negativamente, tales como lípidos, proteínas y ácidos nucleicos, modificando su comportamiento.
Reactividad química
La presencia de grupos hidroxilos (OH) y aminos (NH2) le permite al quitosano formar enlaces covalentes a través de reacciones de eterificación, esterificación y aminación reductora.
Biocompatibilidad y biodegradabilidad
El quitosano es un compuesto no tóxico cargado positivamente que puede interaccionar con las cargas negativas de las membranas plasmáticas de los diferentes tejidos, sin producir daños en ellos. De allí el hecho de la biocompatibilidad del quitosano.
Además, el quitosano es biodegradable por la acción enzimática. Por ejemplo, la lisozima es una enzima que actúa rompiendo los enlaces β-1-4.
Usos / aplicaciones del quitosano
Tratamiento de agua
El quitosano interviene en la purificación del agua en varios aspectos. Puede secuestrar iones metálicos como el cobre, plomo, mercurio, etc. También puede contribuir a la eliminación de restos de alimentos, tintes y otros sólidos cargados negativamente.
Además, el quitosano puede unir partículas en suspensión, aumentando su tamaño y permitiendo que se eliminen en los sedimentos. Esto produce una eliminación casi total de la turbidez del agua.
Agricultura
El quitosano se usa en el recubrimiento de semillas y hojas, en el mejoramiento de la respuesta a fármacos y/o fertilizantes de acción prolongada, en el mejoramiento de la germinación y el enraizamiento, en el crecimiento de las hojas y en el rendimiento de las semillas.
Además, el quitosano tiene acción antifúngica que le da protección a las plantas. Hay evidencias de que el quitosano puede actuar sobre las membranas y la cromatina de los vegetales, induciendo cambios que permiten un mejor crecimiento.
Protección de los alimentos
El quitosano se usa para formar una película comestible que recubre los alimentos, evitando así su contaminación. Asimismo, el quitosano tiene actividad contra hongos y bacterias.
La adición de compuestos al quitosano como el aceite de clavo / β-ciclodextrina, potencia su capacidad antibacteriana, la cual le permite actuar sobre bacterias tales como: S. aureus, S. epidermis, E. coli y otras.
Formación de nanofibras
En el método de electrohilado se utiliza una fuerza eléctrica para estirar estructuras poliméricas como el quitosano, produciendo fibras de 50 a 500 nanómetros de diámetro. Estas fibras son biocompatibles y biodegradables y se usan como materiales hemostáticos y de cicatrización de heridas.
Usos médicos
La lista de los usos y aplicaciones del quitosano en medicina es extensa, pudiéndose nombrar los siguientes: implantes ortopédicos, ingeniería de tejidos, curación de heridas, interiorización a los tejidos de fármacos, creación de piel artificial, suturas quirúrgicas y liberación controlada de fármacos.
Además de los usos médicos nombrados, el quitosano se emplea en los vendajes, esponjas, cubrimiento de quemaduras, como agente antiinflamatorio, en la inhibición de la formación de la placa dental, en la aceleración de la cicatrización de heridas y como agente hemostático.
El quitosano ha sido usado en conflictos bélicos para disminuir el sangrado. Su carga positiva le permite recubrir a los eritrocitos cargados negativamente, formando un complejo que activa a las plaquetas que inician el proceso de coagulación.
Interiorización de fármacos
El quitosano también se utiliza para el transporte e interiorización de fármacos hacia los tejidos. En el caso del ADN que codifica para un determinado antígeno, debido a su carga negativa no puede interaccionar con la membrana plasmática.
Esta dificultad es eliminada al unirse el quitosano cargado positivamente con el DNA con carga negativa, permitiendo que el complejo quitosano-ADN sea interiorizado a las células responsables de la inmunidad.
Este mecanismo, por ejemplo, podría ser usado para la producción de una vacuna contra el ADN que codifica para una proteína del virus de Covid 19.
Clarificación del vino y la cerveza
El quitosano es agregado en la etapa final de la elaboración de la cerveza para mejorar su floculación y la eliminación de las células de levadura, lo cual permite la clarificación de la cerveza.
El quitosano, conjuntamente con la bentonita, gelatina y otras sustancias, aumentan la velocidad de sedimentación de restos de frutas y detritos que causan la turbidez del vino. Además, reduce la presencia de polifenoles oxidados.
Ventajas y desventajas
Se ha estudiado la incorporación de fármacos a los tejidos mediante la intervención del quitosano. Asimismo, se ha experimentado con la incorporación del ADN que codifica para un antígeno determinado a las células responsables de la inmunidad, usando el quitosano en el proceso de transfección.
El ADN se incorpora en forma limitada a las células debido a su carga negativa.
Esta limitación puede ser solucionada por su unión al quitosano: un policatión que neutraliza la carga negativa del ADN, y por lo tanto, facilita su incorporación a las células. Esto con el fin de producir una respuesta inmune contra el ADN.
Esta estrategia podría usarse para la formación de vacunas contra el ADN que codifica contra un antígeno presente, como un virus u otro material biológico que se desea controlar.
Ventajas
El uso del quitosano en la incorporación de material genético (ADN) a las células (transfección) tiene la ventaja de que el quitosano es un material no tóxico, biocompatible y biodegradable.
Funcionaría como un transportador del ADN. En una etapa siguiente, el complejo quitosano-ADN puede formar partes de las vacuolas, que se forman por la interiorización al citoplasma de porciones de la membrana plasmática, en un proceso conocido como endocitosis.
El quitosano es un material no tóxico per se. Es digerible y tiene acción bactericida.
Desventajas
La transfección mediada por el quitosano depende, in vitro, del grado de desacetilación del quitosano, su peso molecular y la formación de complejos con el ADN. Esto señala que es un proceso complejo que depende de muchos factores.
Por lo tanto, es difícil encontrar las condiciones óptimas para la reproductibilidad del proceso, lo que constituye una desventaja.
Otro ejemplo que puede ilustrar las ventajas y desventajas en el uso del quitosano es el siguiente: la utilización del quitosano para incorporarlo a la alimentación de los animales.
Cuando la proporción del quitosano incorporado a los alimentos alcanza un 20 % del pienso, se ha reportado casos de muerte de animales, probablemente por una inhibición de la absorción de nutrientes, los cuales podrían ser excretados en las heces acoplados al quitosano.
Referencias
- Graham Solomons T.W., Craig B. Fryhle. (2011). Organic Chemistry. (10th edition.). Wiley Plus.
- Carey F. (2008). Química Orgánica. (Sexta edición). Mc Graw Hill.
- Morrison y Boyd. (1987). Química orgánica. (Quinta edición). Addison-Wesley Iberoamericana.
- Wikipedia. (2021). Chitosan. Recuperado de: en.wikipedia.org
- National Center for Biotechnology Information. (2021). PubChem Compound Summary for CID 71853: Chitosan. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
- Elsevier B.V. (2021). Chitosan. ScienceDirect. Recuperado de: sciencedirect.com