Состав волоса человека: Волосы: строение и функции, проблемы и уход. Справка

Химический состав волос – FASHION HAIR — LiveJournal

Чтобы правильно ухаживать за волосами желательно иметь представление о химическом составе волос и их строении.
Сейчас очень популярны услуги ухода за волосами на основе кератина,в описании средств часто встречаются слова : “липиды”, “аминокислоты” и т.д. Итак,что же это такое и зачем это нужно?
Уход за волосами включает в себя уход за корнем волоса, находящимся под кожей, и его стержнем — наружной частью волоса.
Прочность и здоровье волос определяется их внутренней частью — кортексом. Кортекс это ороговевшие клетки, содержащие белок кератин. За «содержимое» кортекса отвечает корень волоса. Соответственно, что бы кортекс был здоровым и сильным нужно правильно питаться.
Необходимую защиту волосам создает наружная оболочка стержня волоса — кутикула.За кутикулой необходимо ухаживать, что бы сохранить ее целостность

А теперь о химическом составе волоса.

Волос на 78% состоит из белка альфа — кератина, обогащенного микроэлементами и витаминами, на 15% из воды, на 6% из липидов.

Поскольку кератин это белок, то его составляющими являются аминокислоты.
Аминокислотные цепи связаны между собой поперечными мостиками аминокислотных остатков. Поперечные связи придают кератину плотность и эластичность.
Кутикула состоит из тонких пластинок заходящих одна за другую. Она плотно облегает кортекс обеспечивая его защиту. У молодого волоса кутикула насчитывает примерно 10 слоев, но со временем их количество уменьшается из-за износа кутикулы.
Сверху кутикулу покрывает липидный слой — производное сальных желез волоса. Липидный слой волос включает в себя не только жирные кислоты (олеиновая, пальмитиновая, стеариновая), но и эфиры воска.
Кутикула, а вернее ее липидный слой очень чувствителен к солнечным лучам. И чем больше мы находимся на солнце, тем сильнее он разрушается. Вода, пропитывая волос, приподнимает чешуйки кутикулы. Чтобы не повредить структуру кутикулы нежелательно расчесывать мокрые волосы.
В помощь кутикуле существуют кондиционеры для волос, силиконы, гели и масла, склеивающие чешуйки и предупреждающие повреждения волос.
Наши волосы, способны накапливать в себе различные химические вещества.Все, что мы едим и пьём, отражается на их состоянии. Загрязненность окружающей среды тоже оставляет свой след на волосах.

С  химическим составом волос разобрались,а теперь о питании: 

В чем же нуждаются наши волосы в первую очередь?Принято говорить, что в белках. Но это не совсем верно, поскольку все съедаемые нами белки, наш организм расщепляет сначала на более мелкие «строительные кубики» — аминокислоты, а затем из полученных аминокислот начинает строить собственные белки.Поэтому корню нашего волоса нужны определенные аминокислоты. А именно гистидин, лизин, тирозин, цистин.

Аминокислоты для питания волос.

Гистидин — участвует в процессах роста и обновления тканей организма, в образовании кровяных телец и является предшественником гистамина (гормона, спасающего нас от аллергенов). Особенно нуждаемся мы в гистидине во время воспалительных процессов, после получения травм и в стрессовых ситуациях. Теперь вы понимаете, почему стресс отрицательно влияет на наши волосы?  Он не только ведет к сужению кровеносных сосудов, но и «съедает» гистидин, необходимый для роста волос.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения, нам нужно получать 12 мг гистидина на килограмм нашего веса  в день. В принципе, порция мяса (но мяса, а не колбас и прочих полуфабрикатов) покроет ваши потребности в гистидине. Если вы не едите мяса, то можно получать гистидин из сыров, лососевых рыб, арахиса, сои, пророщенных семян пшеницы.

Лизин — так же участвует в восстановлении и росте тканей, в частности, отвечает за нормальную структуру волос. А еще, лизин ускоряет процесс расщепления жиров, а значит, необходим при целлюлите и варикозе. Кроме того лизин — источник хорошего настроения. И, увы, он активно расходуется при стрессах.Содержится в молочном, мясном и рыбном белках, в сое, чечевице, в пророщенных зернах пшеницы. Можно принимать в качестве пищевой добавки, лизин не накапливается в организме.

Тирозин — необходим для нормальной работы щитовидной железы, предотвращает ломкость и выпадение волос. Тирозин является предшественником меланина и отвечает за пигментирование волос и кожи. Стресс, совершенно бессовестно, расходует наш тирозин. Содержат тирозин авокадо, миндаль, молочные продукты, кунжут.

Цистин — входит в состав волос. Обеспечивает их серой необходимой для построения кератина. Нехватка цистина явление редкое, поскольку он содержится во всех мясных, молочных и соевых продуктах, а так же в овощах.

 Следующий, необходимый для питания волос компонент — незаменимые жирные кислоты.

Альфа-линолевая кислота (Омега-3),линолевая кислота (Омега-6) и архидоновая кислота. Вместе, эти три кислоты, составляют основу витамина F. Не вырабатываются организмом и должны поступать с пищей. Без них нарушается химический состав волоса, и волосы становятся сухими и ломкими.Норма потребления жирных кислот не выяснена. Находятся они в рыбе, сухофруктах, авокадо, арахисе, сое и миндале. Но самый лучший их источник льняное и оливковое масла. Разумеется, холодного отжима. Внимание! Тепловая обработка разрушает жирные кислоты.

Витамины и питание волос.

Прежде всего, это витамины антиоксидантной защиты — А, Е и С.

Витамин А. 
Волос без него просто не вырастет. Витамин А регулирует процессы роста и восстановления клеток кожи и всех ее производных, т. е волос и ногтей. Кроме того, как антиоксидант, витамин А защищает наши волосы от вредного воздействия UV — лучей.

Витамин Е.

Применительно к волосам — нормализует кровообращение в коже головы, улучшая питание волос. Витамин А без витамина Е не усваивается.

Витамин С
предупреждает разрушение волосяных луковиц и укрепляет стенки кожных капилляров.

Витамины группы В.

Если начать принимать комплекс витаминов группы В, то уже через месяц вы отметите заметные улучшения в состоянии волос и ногтей. Витамины группы В, необходимы для работы мозга и нервной системы. Без витаминов группы В рост волос невозможен.  Витамины В можно безбоязненно брать в качестве добавок. Они водорастворимы и не накапливаются в организме.

Микроэлементы и питание волос.

Железо

В день нам необходимо получать 20 мг железа. Его дефицит ведет к нарушению химической структуры волоса и, как следствие, к расслоению стержня и облысению.

Йод

Участвует в жировом, белковом и водно-электролитном обмене. В день нам нужно  100 – 150 мг (для взрослых) и 175 – 200 мг (для кормящих и беременных). При нехватке йода волосы ломаются, тускнеют, а стержень истончается.

Калий

 Способствует проницаемости клеточных оболочек, что бы сделать возможным прохождение различных солей в клетку. Ежедневная потребность в калии составляет 1,2 – 2 г. При нехватке калия развивается сухость кожи, слабость и потускнение волос, замедление их роста.

Кальций

 Отвечает за свертываемость крови. Суточная потребность –  от 0,45 до 1,2 г в день. При хронической нехватке, волосы становятся жесткими, волосяные фолликулы отмирают, волосы, естественно выпадают.

Кремний

Без него кожа и волосы теряют свою эластичность, поскольку нарушается синтез коллагена и эластина. В день нам надо   20 – 30 мг кремния.

Цинк

Без него человек жить не в состоянии. Применительно к нашей теме цинк обеспечивает восстановление клеток кожи и регулирует работу сальных желез. Суточная доза цинка — 12 – 16 мг. Нехватка цинка ведет к облысению и себореи кожи головы и лица.

Я не буду тут приводить список продуктов  содержащих минеральные вещества. Вы без труда найдете их в интернете.

Цель же этой статьи, показать, что правильный уход за волосами начинается с правильной еды. Т.е корень волоса должен получать все необходимые вещества изнутри.
 

Химический состав волоса | МЦ Данимед

Трихология, косметология, восстановительная медицина | Санкт-Петербург

Поговорим о химическом составе волоса.
Здоровые волосы состоят в основном из белка кератина, который построен из аминокислот.

Химический состав может изменяться при действии на волосы различных факторов: химических или физических, но примерный химический состав здорового волоса таков:
78% кератина и составляющих его аминокислот,
15% вода,
6% липиды
1% пигмент, который обеспечивает цвет нашим волосам (но об этом в следующих статьях)

Питательные вещества и незаменимые аминокислоты поступают в наш организм с пищей и разносятся по всему организму. К волосяной луковице, а в частности к волосяному сосочку, питательные вещества также попадают с током крови. Поэтому для здоровых и красивых волос так важно правильное и сбалансированное питание

.

Сам белок кератин, кроме аминокислот, также обогащен железом, цинком, медью, хромом, марганцем и витаминами А, В, Р, С, D. Некоторые аминокислоты, в составе белка, также содержат атомы серы.

Кроме того, стержень волоса имеет в своем составе 15% воды. А что же мы делаем феном и еще «лучше» утюжками – мы высушиваем эту воду до 6-7%. Вследствие этого волосы становятся ломкими, теряют свою эластичность.

Как мы видим: волосы на 6% состоят из липидов. Поэтому, милые дамы, жиры не так и плохи для нашего организма!

При химической завивке, частом окрашивании, мелировании, злоупотреблении феном и утюжками, подборе неправильных средств ухода, химический состав стержней волос изменяется, а значит, ухудшается их внешний вид, против чего мы все так усердно боремся.

Таким образом, жизненно необходимо для наших волос, подбирать

качественные средства ухода за волосами, которые будут восстанавливать нормальный уровень влаги и фосфолипидов, а также не содержать вредных ПАВ (моющие компоненты, сульфаты), парабенов и консервантов.

Врачи косметологи, трихологи Центра косметологии и трихологии «Данимед»,
Якубовская М.В., Кукушкина К.С.

строение волос, химический состав здорового волоса, стержень волоса, структура и рост волос, жизненный цикл волос. Женский сайт InMoment

Волосы человека: строение волос

Волосы – это просто или сложно? Просто – только на первый взгляд, а на деле – скорее сложно, и даже очень сложно. Например, ни для кого не секрет, что волосы живут и умирают – они растут, а затем выпадают. И на их месте (в норме, конечно) вырастают такие же новые волосы.

В чем истинное назначение потенциальной “мини-фабрики” по производству волоса (т. е. волосяного фолликула, в котором циклически фазы сменяют друг друга – сначала идет усиленный синтез клеток, а затем этот процесс затормаживается и полностью прекращается)? Для чего природой была придумана такая высокоорганизованная энергозатратная система? К сожалению, на сегодняшний день однозначного ответа на эти вопросы ученые дать не могут, хотя уже существует несколько гипотез.

Может быть, в скором времени удастся получить ответы, т. к. большинство последних теоретических работ в области дерматологии и трихологии посвящены именно изучению биологических часов волосяного фолликула и процессам дифференцировки клеток.

Сегодня научные исследования достигли такой высоты, что стала возможной расшифровка генов, “ответственных” за облысение; есть разработки, касающиеся “перепрограммирования” генетической информации, ответственной за количество волос на голове, и т. д.

Но для того, чтобы разобраться во всем этом, начать необходимо с минимальных знаний о строении, составе и фазах роста волос.

Как устроены волосы. Строение волос человека

Вы, вероятно, когда-нибудь уже слышали, что волос – это мертвая субстанция. Так ли это? И так, и не так! С точки зрения физиологии, стержень волоса, который мы видим – субстанция, которую нельзя по праву назвать живой. Он не снабжается кровью, к нему не подходят нервные волокна и не присоединяются мышцы.

Когда нам стригут волосы, мы не чувствуем никакой боли, волосы не кровоточат, при их натяжении не растягивается ни одна мышца. И все же… волосы – живая субстанция, способная к самовоспроизведению. Живые клетки, которые размножаются с огромной скоростью, находятся в корне волоса, залегающем глубоко в дерме.

Волосяной фолликул – это корень волоса с окружающими его тканями, которые формируют наружное и внутреннее корневые влагалища и волосяно-железистый комплекс (сальная и потовая железы; мышца, поднимающая волос; кровеносные сосуды и нервные окончания). Мы рождаемся на свет с определенным количеством таких фолликулов, величина эта генетически запрограммирована, и тут уже ничего изменить нельзя. Хотя, быть может, в недалеком будущем ученые смогут перепрограммировать эту наследственную информацию, – сейчас для этого созданы все предпосылки.

В основании фолликула, и дерме, находится волосяной сосочек – соединительно-тканное образование, содержащее сосуды. Он обеспечивает питание и ростовую активность волосяного фолликула.

Каждый волосяной фолликул имеет собственную иннервацию и мускулатуру. Благодаря мышцам и нервным окончаниям волосяной фолликул обладает тактильной чувствительностью, позволяющей ему совершать едва заметные движения.

Когда соответствующий мускул – мышца, поднимающая волос, – сокращается от страха или под влиянием холода, волосы приподнимаются и сжимают кожу, образуя на ней пупырышки или так называемую “гусиную кожу”. Кровеносные сосуды, окружающие волосяной фолликул и волосяной сосочек, снабжают их всеми веществами, необходимыми для размножения клеток и роста волос. Еще одна отличительная черта волос состоит в том, что скорость деления их клеток занимает в организме человека второе место после скорости пролиферации клеток в костном мозге.

Каждый волосяной фолликул является независимым образованием со своим собственным ростовым циклом. В разных фолликулах циклы эти не синхронны, иначе у нас выпадали бы все волосы одновременно, тогда как этот процесс протекает постепенно и незаметно.

Волосы состоят в основном из кератина – белка, построенного из аминокислот. Некоторые из этих аминокислот (цистин, метионин) содержат атомы серы (к этим сведениям мы вернемся, когда будем рассматривать строение волос).

Примерный химический состав здорового волоса таков:

• 15% воды,
• 6% линидов,
• 1% пигмента,
• 78% белка.

Если волосы подвергались химическим или физическим воздействиям, если обнаруживаются те или иные заболевания, состав волос может изменяться. Например, при частом окрашивании и химической завивке, неграмотном подборе средств для ухода за волосами, злоупотреблении термическими методами укладки волосы могут терять большой процент влаги. В этом случае необходимо подбирать качественные средства для ухода за волосами, которые восстанавливают нормальный уровень влажности.

Стержень волоса

Каждый волос состоит из корня (это часть волоса, которая находится глубоко в коже) и стержня (его мы видим на поверхности и это именно то, что мы привыкли называть собственно волосами). В стержне волоса различаются три концентрических слоя.

• Наружный слой, или кутикула – его еще называют покровным, чешуйчатым.
  Кутикула выполняет защитную, барьерную функцию. Она образована шестью-десятью перекрывающимися слоями прозрачных пластинок кератина, связанных между собой как многочисленными поперечными связями, так и липидными прослойками. Кутикула препятствует механическим и физическим воздействиям на волос. Неповрежденная кутикула хорошо отражает свет; волосы блестят, эластичны и не ломаются.
• Корковый слой, или кортекс.
  Кортекс – основное вещество волоса (составляет от 80 до 85 процентов его объема), которое состоит из миллионов кератиновых волокон. Они закручены между собой и связаны прочными поперечными связями.
• Медуллярный слой – центральное мозговое вещество.
  Это центральная часть волосяного стержня, которая представлена у человека не во всех видах волос. Например, в пушковых волосах медулла отсутствует. Мозговое вещество заполняют пузырьки воздуха – благодаря этому волос обладает определенной теплопроводностью. Медулла не играет никакой роли в изменении как химических, так и физических свойств волоса.

Структура и рост волос

Волосы вырастают примерно на 1-2 сантиметра за месяц. Рост нового волоса начинается от волосяного сосочка, который находится в основании волосяной луковицы. Клетки делятся и размножаются внутри коркового вещества (оно образуется средней частью луковицы) – эта зона, прилежащая непосредственно к волосяному сосочку, называется матриксом. По мере продвижения к поверхности кожи головы фолликулярные кератиноциты постепенно теряют свои ядра, уплощаются и ороговевают, заполняясь твердым кератином (кератинизируются).

Среди клеток волосяной луковицы представлены и меланоциты, которые обусловливают естественный цвет волос. В устье волосяного фолликула открывается проток сальной железы, содержащей кожное сало – маслянистую субстанцию, которая выделяется на поверхность кожи волосистой части головы.

Кожное сало наряду с отшелушенными корнеоцитами эпидермиса и нормофлорой является основной защитной мантией кожи. Кроме того, оно смазывает волосы. придавая им эластичность, гладкость и, в определенной степени, водоотталкивающую способность.

Жизненный цикл волос

Жизненный цикл волоса состоит из трех стадий, его продолжительность колеблется от 2 до 5 лет. Каждый волосяной фолликул генетически запрограммирован на производство примерно 25-27 волос. Каждый волос живет по своему “индивидуальному графику”, а потому разные волосы в одно и то же время находятся на разных стадиях своего жизненного цикла: 85% волос находятся в фазе активного роста (анагена), 1% в фазе покоя (катагена) и 14 % – в стадии выпадения (телогена).

Анаген – непрерывное деление клеток в матриксе волосяного фолликула, в результате которого новые клетки продвигаются к поверхности кожного покрова волосистой части головы. Эют период активного роста продолжается в течение 2-5 лет.

Катаген – деление клеток матрицы замедляется и прекращается, волосяной фолликул “впадает в спячку”. Волосяная луковица постепенно отсоединяется от волосяного сосочка. Эта фаза длится очень недолго – примерно 3-1 недели.

Телоген – обновление клеток прекращается приблизительно на 3 месяца (время, за которое восстанавливается связь между вновь синтезированной волосяной луковицей и волосяным сосочком, и новый волос входит в фазу анагена). Полностью отделившаяся от дермального сосочка телогеновая луковица приобретает вытянутую форму и начинает двигаться к поверхности кожного покрова волосистой части головы. В период телогена новый волос начинает расти, а старый выпадает.

На волосистой части головы каждого человека расположено в среднем от 100 до 150 тысяч волосяных фолликулов, в которых волосы образуются, растут и из которых затем выпадают. Зная процентное соотношения волос в разных фазах, можно подсчитать величину, характеризующую нормальное выпадение волос. В норме в день мы теряем в среднем 70-80 волос.

Аминокислоты

Аминокислоты являются строительным материалом для роста здоровых волос. Незаменимые аминокислоты и другие питательные вещества, необходимые для роста волос, поступают в наш организм с пищей. Они разносятся по всему телу кровотоком и по капиллярам достигают волосяного сосочка. Вот почему долгий путь к здоровым волосам и здоровой коже лежит через соблюдение правильного сбалансированного режима питания.

Большое количество аминокислот, соединяясь между собой, образуют полипептидную цепь. Волосяной стержень по своему строению подобен канату или трехжильному электрическому кабелю. Полипептидные цепи переплетаются между собой, образуя нити. Эти нити, в свою очередь, навиваясь друг на друга, создают суперспирализованную структуру: объединяясь по несколько штук, они формируют сначала протофибриллы волоса, затем – микрофибриллы и, наконец, самые крупные волокна – макрофибриллы. Обвиваясь друг вокруг друга, макрофибриллы формируют основные волокна коркового слоя.

Поперечные связи

Длинные полипептидные цепи, расположенные в волокнах коркового слоя волоса параллельно друг другу, связываются между собой, образуя поперечные мостики. Если бы не эти ковалентные связи между определенными аминокислотными остатками соседних цепей, то цепи разошлись бы, и волокно распалось. Именно эти поперечные связи придают кератину его уникальные качества: прочность и эластичность.

Скажем, дисульфидные связи (связи между двумя атомати серы) являются наиболее прочными, в основном и обуславливая природную прочность волос. На разрыве и последующем восстановлении определенного процента этих связей основан принцип химической завивки волос.

Водородные связи намного слабее дисульфидных, зато их гораздо больше по количеству. Они образуются благодаря взаимному притяжению атомов водорода, расположенных на соседних полипептидных цепях. Эти связи играют важную роль в обеспечении эластичности волос.

Красота и здоровье волос

Вернуться в начало раздела Уход за телом
Вернуться в начало раздела Красота и Здоровье

Информация в данной статье носит ознакомительный, а не рекомендательный характер. Пожалуйста, не занимайтесь самолечением, обязательно консультируйтесь со специалистом.

Уважаемые читатели, пожалуйста, не забывайте подписываться на наш канал в Яндекс.Дзене и ставить “Понравилось”!

Строение волоса и подбор процедур. Статьи компании «KERATIN-PROF Беларусь»

Немного информации о строении волос, обязательна к изучению начинающим и будущим мастерам. Также в статье Вы узнаете, как научится подбирать процедуры по типам и состоянию волос

Чтобы иметь возможность правильно подобрать составы для процедур, нужно понимать, как устроены волосы, от чего и как они разрушаются и как их можно восстановить.
Начнем со строения.
Мы будем говорить о той части волоса, которая считается мертвой, то есть наружном стержне.

В процентном соотношении волос имеет следующий химический состав: 
78%-кератин
6%-липиды
1%-пигмент
15%-вода

Часть волоса, расположенная над поверхностью эпидермиса, называется стержнем. Невидимая часть, расположенная в толще кожи, называется корнем (луковицей).

 

Современные средства по уходу за волосами бренда эффективно работают на стержне волоса. Волос состоит из следующих составляющих:
1. Кутикула представляет собой внешнюю оболочку из ороговевших чешуек. Она служит защитой для внутренних слоев от внешних воздействий. Именно кутикула обеспечивает блеск и шелковистость волос.
2. Кортекс (корковый слой волоса) находится непосредственно под кутикулой. Он состоит из множества ороговевших веретенообразных клеток, которые можно сравнить с нитью. Эти переплетенные «ниточки» образуют микрофибриллы волоса, которые составляют крупные волокна-макрофибриллы. Чтобы миллионы микрофибрилл не распадались между собой на молекулярном уровне, существуют поперечные связи: дисульфидные, водородные и солевые.
Из-за особенностей в строении кортекса волосы могут быть прямыми и кудрявыми, которые в свою очередь наследуются генетически. В клетках этого слоя находятся пигменты, придающие волосам цвет. Кортекс также отвечает за прочность и эластичность. В данном слое происходит химический процесс выпрямления, разглаживания или окрашивания волос.
3. Медула (сердцевина) – это стержень волоса, который состоит из 2-4 слоев, не ороговевших клеток различной структуры с кератиноподобным веществом. Медула отвечает за терморегуляцию, объем и придает силу волосам. В наше время сердцевина у многих прерывистая или полностью отсутствует

Чешуйчатый слой предохраняет нижележащие клетки кортекса от пагубного действия условий внешней среды. Кутикула волоса защищает кортекс и медуллу как панцирь. Она образована перекрывающимися слоями прозрачных пластинок кератина, напоминающих чешую. Кутикула препятствует механическим и химическим воздействиям на волос. Неповрежденная кутикула хорошо отражает свет: волосы блестят, не ломаются.  Средства с высоким РН (щелочные — мыло, например), расслабляют чешуйки и заставляют их открываться и пропускать жидкость внутрь кортекса. Средства с низким уровнем РН (кислые) захлопывают чешуйки, делают их плотнее и прочнее.

Вот здесь кроется первый важный момент, который нужно понимать: чешуйки кутикулы раскрываются и закрываются от изменения уровня РН!!! Например, РН воды в море чаще имеет щелочную среду, РН воды в кране может иметь щелочную среду, и большинство шампуней (особенно масс-маркет) — это щелочи. Значит, если ваши волосы подверглись воздействию щелочи, то вам необходимо обработать их кислым средством, чтобы они закрылись (например, бальзам). Волосы с раскрытыми чешуйками кутикулы очень хрупкие, легко разрушаются и, конечно же, не блестят.
Второй важный момент: если вас интересует красота волос, их блеск, то вам нужно позаботиться о состоянии кутикулы!
Кутикулу тоже можно механически повредить, например, грубым расчесыванием, горячими щипцами. В этом случае даже при обработке специальными средствами она не сможет обеспечить полную защиту кортекса, и волос начнет разрушаться. Поэтому очень важно бережно обращаться с волосами, мягко расчесывать их без резких движений, а также как можно реже подвергать их нагреванию и сушке. В этом случае рекомендуется использовать термозащитные спреи и лосьоны.
Теперь перейдем к кортексу, среднему слою, который составляет примерно 90% волоса человека. Именно в этом слое происходят изменения при окрашивании или химии. От состояния кортекса зависят сила, упругость и прочность волоса. Волос с хорошо развитым корковым слоем значительно прочнее волоса со слабо развитым слоем.
Корковый слой окружает сердцевину. Он представляет собой плотно прилегающие одна к другой клетки, продольно вытянутые и расположенные по длине волоса. При рассмотрении под электронным микроскопом видно, что эти клетки состоят из тончайших волокон, фибрилл, а те — из еще более тонких волокон, и так далее, пока не дойдем до молекулярного уровня. Здесь можно провести аналогию со строением каната, который сплетен из более тонких волокон. Волокна кортекса состоят в основном из белка — кератина. Белок состоит из длинных цепей аминокислот, которые в свою очередь состоят из химических элементов. Основными химическими элементами, из которых состоит человеческий волос являются: углерод, кислород, водород, азот и сера. Из этих элементов так же состоят кожа и ногти. 
Белки — это длинные аминокислоты, соединенные между собой на концах прочными белковыми связями. Связываясь друг с другом, они образуют длинные, спиральные, сложные аминокислотные цепочки. Эти спирали образуют микрофибриллы, которые перекручиваясь, образуют волокна кортекса. Итак, мы разобрались, как волокна образуются в длину. Но что удерживает их вместе, как в тугом канате? Чтобы миллионы полипептидных цепочек не распадались, между ними также существуют поперечные связки или мостики. Связки эти удерживают волокна вместе на молекулярном уровне.
Эти связи имеют огромное значение для таких услуг, как термическая укладка, химическая завивка и химическое выпрямление волос. Основными поперечными связями являются: водородные, ионные или солевые и дисульфидные
Водородные связи легко разрушаются водой и температурой. И хотя по отдельности водородные связи очень слабые, их очень много в волосах, поэтому они дают примерно одну треть силы волоса. Водородные связи легко разрушаются при намокании волос. Это позволяет волосам легко растягиваться. При высыхании и охлаждении водородные связи восстанавливаются и фиксируют форму волос в том положении в котором волосы оказались. Так, например, завивка волос на обычных бигуди и высушивание их естественным образом приводит к разрушению водородных связей, благодаря чему, волосы из прямых становятся закрученными, но через некоторое время или под воздействием влажной среды, разрушенные водородные связи восстанавливаются и волосы снова приобретают прежнюю форму.
Ионные или солевые связи так же являются слабыми физическими связями, образующимися поперек волоса между соседними белковыми цепочками. Ионные связи зависят от pH на волосах, поэтому они легко разрушаются сильными щелочными и кислыми растворами. Но их в волосах так же много, поэтому оказывают значительное влияние на структуру и свойства волос. Солевые связи восстанавливаются при нормальном рН волос.

Дисульфидная связь — это сильная химическая связь, которая очень отличается от физических водородной и ионной. Она соединяет атомы серы двух соседних аминокислот, чтобы создать одну, объединяет две белковые цепочки в единое целое.
Хотя самих дисульфидных связей гораздо меньше, чем водородных и ионных, они очень сильные и не разрушаются водой. Разорвать дисульфидную связь можно с помощью препаратов для химической завивки и выпрямления. Нормальное температурное воздействие, как, например, при термоукладке, не разрушает дисульфидных связей. Однако очень сильные воздействия температуры, как при воздействии кипятка и некоторых высокотемпературных инструментов для укладки, нарушают эти связи. Яркий пример такого сильного воздействия — утюжки для выпрямления волос, температура которых достигает более 200 градусов.
Если дисульфидные связи были разорваны и не восстановлены химическим путем, то волос остается поврежденным. Со временем он становится хрупким, ломким, пористым, сильно обезвоженным и истонченным. Это приводит к посеченным концам, волосы тяжелее расчесываются и становятся на ощупь жесткими и сухими.
Итак, очередной вывод: если вас беспокоят сила и упругость ваших волос, то вам нужно задуматься о восстановлении кортекса волоса, то есть восстановлении дисульфидных связей (всегда используйте специальные средства при химическом воздействии или окрашивании! а также специальные шампуни и бальзамы, например, с гематином) и восстановлении волокон кортекса
Кстати, кератины в составе шампуней не способны проникнуть вглубь волоса, поэтому восстанавливают лишь частично, заполняя пустоты у внешней оболочки непосредственно под чешуйками кутикулы. При несильном повреждении волос, они могут дать восстанавливающий эффект, но при глубоких повреждения — не очень эффективны.
Кроме всего прочего в клетках коркового слоя обычно располагаются зерна красящего вещества — пигмента. При окрашивании этот пигмент разрушается и заменяется искусственным, но искусственный пигмент не является таким устойчивым, поэтому легко вымывается из кортекса волоса при мытье головы (после окрашивания постарайтесь не использовать сульфатные шампуни, это позволит дольше сохранить цвет), оставляя после себя пустоты с воздухом, что делает волос более хрупким.
Вообще, конечно, восстановление волос — это комплексная терапия, включающая в себя как лечение, восстановление, так и защиту волос от дальнейших повреждений. Она требует дополнительных мер, ухаживающих средств и большого желания и терпения. 

 

С ЧЕГО НАЧАТЬ?

После детального изучения строения волос, нужно научиться понимать, как правильно подбирать процедуру по типу и состоянию волос клиента.
1.    После знакомства с клиентом необходимо узнать у него «историю» его волос. Какие были окрашивания, какой оксид использовался. Окрашивали ли волосы хной? Были ли смывки/осветления. Делал ли клиент процедуры кератинового выпрямления/ботокса ранее? Как реагировали на процедуру волосы и сколько состав срок носки
2.    Также уточняйте у клиента, не принимает ли он серьезные гормональные препараты, о беременности, о кормлении грудью
Далее проведите визуальный осмотр волос клиента, сделайте тест на степень повреждения волос (намочите волос и аккуратно растяните его). Если волосы растягиваются и не возвращаются в прежнее состояние-таким волосам не рекомендуется проводить «горячие» процедуры, т.е. процедуры с использованием утюжка, также можно проверить волосы на пористость.

В случае если волосы сильно повреждены, а именно рвутся-рекомендуется провести процедуру сос-реконструкции холодным способом. Можно использоваться составы Felps SOS, ампулы от Dr.Therapy, каутеризацию от Gold Spell и другие составы для реконструкции.Такие составы направлены именно на восстановление дисульфидных связей волоса. Эти процедуры можно делать с помощью инфракрасного утюжка, иногда требуется курс восстановительных процедур (необходимо смотреть за состоянием волос). Курс может составлять 2-5 процедур. 
После курса реконструкции, когда волосы перестали рваться, а при растягивании возвращаются в прежнюю форму-можно выполнять более серьезные восстановительные процедуры с использованием утюжка.

 

БОТОКС ИЛИ КЕРАТИН?

В целом это довольно схожие процедуры, большинство современных составов для ботокса по компонентам близки к составам для кератинового выпрямления волос. Как правило, в ботоксах содержится большее количество ухаживающих, увлажняющих компонентов (масла, кодиционеры), чем в кератине. За счет этого составы для ботокса дают больший эффект увлажнения и восстановления волос.
Кератин в первую очередь направлен на выпрямление волос, содержит большее количество выпрямляющих компонентов. Современные составы для выпрямления не сильно уступают ботоксам в содержании увлажняющих компонентов. Поэтому при правильно подобранном по типу волос составу можно получить отличный результат выпрямления и восстановления/увлажнения волос.
На какие волосы рекомендуется делать именно ботокс:
Окрашенные на высоких оксида (блонд), волосы после смывки, осветления, других сложных окрашиваний-после оценки состояния волос. На волосы после химической завивки (также в зависимости от состояния волос). Также ботокс рекомендован на ПРЯМЫЕ от природы волосы (натуральные, окрашенные), так как такие волосы нет смысла перегружать «тяжелыми» составами для выпрямления волос, а также не подвергать волосы серьезной термообработке, как при выпрямлении волос. С ботоксом можно работать на более низких температурах.
Также ботокс можно делать на вьющиеся волосы, для структуризации кудрей, устранения пушистости, увлажнения. Важно при этом подобрать ботокс без эффекта выпрямления. Есть довольно сильные составы для ботокса, которые смогут на некоторое время выпрямить кудри.

 

Основной показатель выполнения процедуры кератинового выпрямления-вьющиеся волосы, которые клиент хочет выпрямить, при этом часто пользуется утюжком и регулярно травмирует их. Далее стоит учитывать состояние волос, убедиться, что волосы смогут выдержать необходимую для термообработки состава температуру (оптимальная температура утюжка при работе с кератином 210-230 градусов). В зависимости от состояния волос температура может быть ниже, но это уже может сказаться на эффекте выпрямления и сроке носки состава. Поэтому, если Вы видите, что волосы не выдержат высокую температуру-предварительно подготовьте их, сделайте более щадящую процедуру-ботокс или реконструкцию. После этих процедур волосы смогут без труда выдержать серьезную термообработку и можно сделать выпрямление волос через некоторое время.

Волосы.Строение и типы волос. Строение и состав волоса.

Если женщины и мечтают увеличить толщину чего-то, то это определенно волосы!

Научный подход

Международный коллектив ученых провел ряд исследований, в результате которых было выявлено следующее: за толщину волос отвечает лишь один ген. Были проведены опыты: сначала отобрали 170 генов, о которых было известно, что они влияют на свойства волос. Постепенно, исключая гены, нашли образец, который отсутствовал у некоторых групп людей (по национальностям) и присутствовал у других – у которых волосы как раз отличаются толщиной.

При тестировании волос анализ минеральных веществ в тканях является эффективным и точным методом определения долгосрочного воздействия токсичных минералов и минералов дефицита питательных веществ. Практикующие нашли этот метод особенно полезным в тех случаях, когда этиология заболевания не была обнаружена или в тех случаях, когда было несколько синергических причин этого состояния. Утилизация определения Подавляющее большинство химических реакций, которые влияют на клеточные процессы, катализируются ферментами.

Часто ферменты требуют использовать минеральные кофакторы. Например, магний и цинк являются кофакторами в сотнях ферментативных реакций. С другой стороны, токсичные минералы могут влиять на ферментативные реакции и, таким образом, нарушать клеточную активность. Таким образом, избытки или дефициты минералов оказывают значительное влияние на здоровье. Многочисленные исследования в правительстве сообщили о многочисленных дефицитах минералов в большом проценте субъектов. Скальп волос в качестве монитора воздействия сообщества свинца.

Так ученые определили, что рецептор белка эктодислазин А является геном, отвечающим за толщину волоса, и что она (толщина) закладывается на этапе формирования волосяной луковицы.

Итак, в первую очередь толщина волос зависит от расовой принадлежности: у азиатской этнической группы самые толстые и жесткие волосы, у африканцев волосы на 30% тоньше, чем у китайцев и японцев, а у европейцев вполовину тоньше, чем у жителей Восточной Азии.

Из-за огромного количества токсичных соединений, используемых в промышленности, токсичные минералы также широко распространены и, если их не обнаружить вовремя, представляют собой риск для здоровья. Анализ волос, крови или мочи? Уже более 30 лет изучается полезность измерения концентрации минералов в волосах, крови и моче. Эти биологические среды отражают динамический баланс тела. Волосы ведут себя как депозит и указывают на уровень хранения минералов с течением времени. Органические уровни ртути в человеческих волосах с хранением и без хранения в течение одиннадцати лет.

Факты о толщине волос

• Толщина волос меняется с возрастом: у взрослого человека они толще почти в 3 раза, чем у младенца, но к старости опять начинают истончаться.
• Диаметр женских волос почти вдвое меньше, чем мужских. На первый взгляд это может показаться странным. Ведь некоторые женщины облают по-настоящему роскошной шевелюрой! Но на самом деле все зависит от их густоты и длины, а отнюдь не от толщины.
• Цвет волос также многое может сказать об их толщине. Самые толстые волоски у рыжих, а тонкие – у блондинов. Брюнеты и шатены чаще всего обладатели волос средней толщины. Речь идет, конечно же, о натуральном цвете вашей шевелюры.
• Волосы на висках тоньше, чем на затылке. То же касается только отрастающих, так называемых, пушковых волос.

Толщина волоса человека в цифрах

По толщине волосы подразделяются на:

Ртуть в человеческих волосах из-за окружающей среды и диеты: обзор. Возможности диагностики и терапии с использованием тканевого и минерального анализа волос. Оценка состояния микроэлемента. Анализ волос как показатель минерального статуса домашнего скота.

Элементы, хранящиеся в волосах Человеческие волосы содержат 80% белка, 15% воды и небольшое количество липидов и неорганического материала. Волосяной фолликул богато васкуляризирован, а кровь, проливающая его, является транспортной средой как для основных, так и для токсичных и потенциально токсичных минералов. Как только эти минералы достигают волосяных фолликулов, они включаются в белки растущей пряжи. В отличие от других тканей тела, волосы являются конечным продуктом обмена веществ, который включил минералы в его структуру во время роста.

• Тонкие – менее 0,05 мм в диаметре,
• средние – 0,05-0,07 мм,
• толстые или утолщенные – более 0,07 мм.

В микрометрах (микронах) толщина человеческого волоса составляет от 80 до 110 мкм.

Как измерить толщину волоса?

Существуют различные способы определения данной характеристики волоса, например, под микроскопом. Мы предлагаем метод измерения толщины в домашних условиях.

По мере того, как волосы становятся ближе к поверхности кожи, она усиливается путем кератинизации, а элементы, накопленные во время ее образования, внедряются в структуру белка. Из-за воздействия волосяного фолликула во время роста крови концентрация минеральных волокон в волосах отражает их концентрацию в тканях. Анализ мочи и крови. Анализ мочи может предоставить важную информацию о токсичных минералах, которые не представлены анализом крови. Эти минералы могут храниться в разных тканях, где они могут вызывать поражения или где они могут мешать структурам хранения, не поднимаясь в кровоток.

Для этого вам даже не понадобится «мучать» свою прическу – достаточно осмотреть расческу или подушку после сна.

Возьмите одну выпавшую волосинку или несколько – в зависимости от длины ваших волос. Намотайте волоски на карандаш так, чтобы каждый последующий виток ложился вплотную к предыдущему, но не на него. Достаточно будет намотать волоски шириной полсантиметра-сантиметр.

Токсичные минералы быстро очищаются от крови, поэтому их уровни в крови могут быть релевантными только в течение короткого периода времени. Кадмий, например, имеет биологический период полураспада более 10 лет у людей. Кадмий: маркеры воздействия как предикторы нефротоксических эффектов. Эта однородность благоприятствует добавлению справочных данных и их включению в качестве полезных и стабильных параметров биологических функций. Гомеостатический ответ иллюстрирует эффективность механизмов чистки в организме и объясняет полезность краткосрочных анализов крови.

Посчитайте количество витков и поделите ширину (напоминаем, это 0,5 см или 1 см: в зависимости от длины ваших волос) на получившееся количество витков. Это и будет толщина волоса с небольшой погрешностью.

Дело в том, что длинные волосы на кончиках бывают истончены из-за их сухости и посеченности, также на голове встречаются волосы разной толщины.

Уровни крови не зависят от тканей в тканях и варьируются в зависимости от анализируемого компонента. Эти уровни являются временными и подвержены гомеостатическим механизмам, которые удерживают их в узком диапазоне значений. В заключение хотелось бы подчеркнуть сложность метода, который в одном определении, оценивает наиболее важные минералы в организме 36 30 6 минералов, необходимых для здоровья и токсичен.

Наряду с диетой, и это характерно для каждого пациента, существует перебалансировка функциональных механизмов и первичная профилактика патологий, которые могут возникнуть в результате декомпенсации этих механизмов. Волосы уже давно используются в исследованиях на животных и человека, чтобы выявить хроническое воздействие токсичных металлов. Поскольку волосы биологически устойчивы, точные тесты могут проводиться на образцах сотен лет. Распределение мышьяка в волосах Наполеона. В настоящее время научно обоснованная проверка волос на токсичные минералы, такие как свинец, ртуть, кадмий, мышьяк.

Как увеличить толщину волос

Разве это можно сделать? Ведь мы уже выяснили, что диаметр волосков заложен генетически. На самом деле, существует несколько хитростей, как добиться увеличения толщины волос.

Косметическая процедура ламинирование

Ламинирование волос предназначено как раз для волос тонких и ломких.

Специальный состав наносится на всю их длину, после чего под воздействие высокой температуры происходит буквально «вплавление» бальзама в стержень. В результате каждый волосок обволакивается пленкой: она не только защищает от вредного воздействия, но и делает волосы толще. Такой эффект сохраняется до 3 месяцев, после чего процедуру повторяют.

Исследования подтверждают, что токсичные элементы могут непосредственно влиять на поведение, нарушая работу мозга, влияя на производство и использование нейротрансмиттеров и изменяя обменные процессы. Неврологические, желудочно-кишечные, респираторные, сердечно-сосудистые и почечные системы наиболее восприимчивы к токсическому действию токсичных минералов. Металлы в волосах как биологические показатели для воздействия. Распределение ртути и селена в определенной области и ее популяции. Волосы – отличная тестовая среда, потому что концентрации часто в 300 раз выше, чем в крови или моче.

Специальные средства с силиконом

Силикон в составе специальной косметики действует по аналогу с ламинирующими средствами: занимает пустоты в открытых чешуйках, обволакивает каждый волосок, тем самым утолщая его. Однако в отличие от профессиональной процедуры, силикон, увы, не так полезен.

Во-первых, действие сохраняется только до первого мытья волос

Поскольку волосы хранят эти элементы, это барометр раннего, хронического воздействия и часто отражает токсические накопления до появления симптомов. Токсичные минералы имеют отрицательные эффекты даже в чрезвычайно низких концентрациях, но эффекты варьируются в зависимости от режима и продолжительности воздействия, а также от метаболизма и детоксикационной способности каждого человека. Механизмы токсичности являются множественными и включают: ингибирование фермента или кофакторы, ферментативное потенцирование, повреждение мембран и изменение транспортных процессов, снижение функции нейронов и проведение нервов.

Во-вторых, силикон имеет свойство накапливаться, а в результате через некоторое время волосы начинают «кричать» SOS: и их плохое состояние отнюдь не способствует увеличению толщины!

Маски для толщины волос

Добиться эффекта утолщения волос помогут домашние масочки. При их регулярном применении вы заметно улучшите внешний вид своей шевелюры.

Некоторые из этих эффектов являются синергетическими с другими минералами или токсичными химикатами. Уровень токсичности этих элементов и соответствующие неблагоприятные эффекты варьируются от человека к человеку. Подострая или хроническая экспозиция может привести к тонкой или откровенной симптоматике, долго у некоторых людей, особенно у детей. Особенно свинец и ртуть оказывают негативное воздействие на детей, отчасти из-за их ускоренного роста и малой массы тела. Токсичные минералы мешают различным прогрессирующим и прогрессирующим ферментативным и неврологическим процессам.

Желатиновая маска

3 г пищевого желатина растворите в стакане воды комнатной температуры. После его набухания, погрейте желатин на водяной бане и доведите смесь до однородного состояния. В полученный состав добавьте несколько капель своего бальзама для волос. Для этих целей прекрасно подойдет .

Маску нанесите на влажные волосы и подержите 40 минут, после чего смойте шампунем для вашего типа волос. Эффект схож с профессиональным ламинированием, но для его закрепления такую маску требуется выполнять не реже, чем раз в 2 недели.

Токсичность минералов в дыхательных путях зависит от природы агента, его физико-химической формы, дозы, условий воздействия и факторов, связанных с хозяином. Хроническая обструктивная бронхопневмопатия может быть результатом профессионального воздействия металлических порошков. Воздействие кадмия может привести к эмфиземе. Бронхиальная астма может быть вызвана сложными солями платины, никеля, хрома или кобальта, вероятно, из-за аллергической сенсибилизации. Металлические порошки, осажденные в легких, приводят к легочному фиброзу с функциональным изменением.

Маска с бесцветной хной

Хна хорошо влияет на корни волос: считается, что иранская хна может стимулировать к росту спящие волосяные фолликулы, делая волоски более толстыми и сильными.

Для выполнения такой маски необходимо развести 1-2 пакетика хны теплой водой (температура приблизительно 40-50 С 0) до получения однородной кашеобразной смеси. Кашицу нанести на волосы – на корни и по длине, – и оставить до полного высыхания. Чтобы хна не обсыпалась, голову можно прикрыть полиэтиленовой шапочкой и полотенцем.

Ингаляция соединений железа вызывает сидероз, пневмокониоз с минимальным или отсутствующим фиброзом. Хроническая болезнь берилозы представляет собой саркоидоподобный эпителиоидный гранулемы фиброз и, как полагают, является результатом опосредуемого клетками иммунного ответа на бериллий. Доля профессиональных легочных раков составляет 15%, подверженность металлам часто инкриминируется.

Добыча руды связана с увеличением заболеваемости раком легких в результате воздействия радона. И некоторые формы мышьяка, хрома и никеля признаны канцерогенами для людей. Это хороший электрический и тепловой проводник и немагнитный. Эти свойства объясняют их использование во многих отраслях промышленности: – металлообработка – керамическая промышленность. – электроника. – атомно-электрической промышленности. – лаборатории – добывающая промышленность – стоматологические работы. Недавно были описаны несколько серьезных случаев аллергического контактного стоматита, вероятно, вызванных бериллиевыми протезами.

Где-то через 40-60 минут маску тщательно смыть водой, промыть голову с шампунем. Нанести бальзам. При регулярном выполнении маски волосы станут заметно толще.

Как еще увеличить толщину волос?

Обладательницы типа волос, который по тем или иным причинам требует особого ухода, нередко отмечают, что увеличение толщины волос нередко является приятным бонусом воздействия, направленного на их лечение от выпадения или восстановление после окрашивания.

Только у 1-6% облученных индивидуумов будет развиваться берилоз. Способ проникновения является как респираторное заболевание при вдыхании производства бериллиевой пыли или паров, а также кожи, контактный дерматит, записанную, возможно, конъюнктивит и медленное заживление ран. Существуют две формы берилозы: – Острый берилоз – обычно имеет быстрое начало и имитирует пневмонию или бронхит. Это редко встречается сегодня благодаря внедрению мер промышленной защиты, направленных на снижение уровней воздействия бериллия. – Хронический берилоз – имеет очень медленное начало.

Для того чтобы увеличить толщину волос, начните со следующего:

• Правильное и сбалансированное питание, включающее в ежедневный рацион необходимое количество белка, железа, кальция и витаминов для красивых и здоровых волос.
• Самомассаж кожи головы, который активизирует поступление полезных веществ к корням для роста густых волос.
• Умеренное применение укладочных средств и приборов, которые, к сожалению, помимо красивой укладки не приносят волосам никакой пользы.
• Регулярная стрижка кончиков волос: так вы гарантировано избавитесь от их тонкости и посеченности.
• Уход за волосами с использованием правильных средств. Это очень важно, ведь если шампунь или ополаскиватель не походит для вашего типа волос, и речи не может быть о том, чтобы пряди радовали вас густотой, объемом. ухода можно в линейке ALERANA ® – серии №1 против выпадения и для стимуляции роста волос.

Приветствую Вас, дорогие читательницы! Поговорим сегодня о строении фолликулов волос и коже головы человека, узнаем больше о фазах роста и химическом составе волоса. Зная основы основ, можно грамотно подходить к уходу и заботе отнюдь не бесполезного органа.

Он все еще имеет 1-6% заболеваемости среди облученных индивидуумов, а его механизм производства – аллергическая реакция на бериллий. Даже кратковременное воздействие небольших количеств может вызвать заболевание. Некоторые профессии были связаны с заболеваемостью до 16%. Берилоз возникает у облученных людей, но чрезвычайно небольшие количества могут вызвать заболевание у некоторых людей. Риск развития сенсибилизации бериллия сохраняется даже после прерывания воздействия на неопределенный срок. Недавние генетические исследования показали, что около 40% населения имеет генетический маркер, связанный с восприимчивостью к этой болезни.

Волосы являются придатком кожи, впрочем как и ногти. О коже, волосах и ногтях необходимо заботиться, поскольку это главные защитники от напастей из окружающей среды.

Знаете ли вы чем женщина привлекает, завораживает и околдовывает всех без исключения мужчин?! Безусловно длинными, блестящими, ниспадающими прядями шелка на своих плечах и спине.

Было показано, что берилл является канцерогенным для некоторых видов животных. Рабочие в промышленности имеют повышенную заболеваемость раком легких. Недавно Берилл был классифицирован Международным агентством по исследованию рака как канцерогенный для человека. Предпочтительным является термин «хроническая болезнь бериллия»? Бериллий, потому что это не типичный пневмокониоз. Гранулематозное воспаление легких, связанный с экспираторным удушьем, кашлем, болью в груди, потерей веса, усталостью и недомоганием являются наиболее распространенными клиническими проявлениями, но может произойти правильно кардиомегалия, связанную с сердечной недостаточностью, гепатомегалией, спленомегалией и цианозом.

Не правда ли, что человек, особенно женщина, с тонкими волосами или вообще без них особо не впечатляет. Я не говорю сейчас о знаменитых лысых звездах таких, как Федор Бондарчук, Брюс Уиллис или Деми Мур в фильме «Солдат Джейн». Я говорю сейчас об обычных женщинах и мужчинах, которых мы видим каждый день.

Вы наверное согласитесь со мной, что встречая женщину или девушку с густыми, длинными волосами, мы невольно оборачиваемся ей вслед. А ведь красота волос и эффект, который они оказывают на окружающих, напрямую зависит от их структуры и состава. Но давайте сначала рассмотрим морфологию кожи головы человека.

Из чего состоит кожа головы человека? Основы анатомии и физиологии кожи и волос

Кожа человека на любом участке тела состоит из одинаковых частей или слоев, т. е. кожа головы мало отличается от кожи живота, например. Кликните и рассмотрите рисунок ниже, на которой нарисован срез кожи с волосом. Как вы видите она состоит из трех слоев:

1. Эпидермис
2. Дерма
3. Жировая клетчатка

Эпидермис — это тонкий защитный слой клеток, который постоянно обновляется. Клетки расположены в несколько слоев. Наружные слои клеток в виде роговых чешуек отмирают и отшелушиваются, а снизу образуются новые. таким образом происходит обновление. Эпидермис выполняет защитную роль, защищая организм от внешних воздействий воды, химических веществ и ультрафиолетового облучения.

Дерма — это средний слой, находящийся под эпидермисом. В ней расположены сосуды, мышцы, сальные и потовые железы, а также фолликулы волос или корни волос. Именно дерма обусловливает эластичность и тонус кожи.

Жировая клетчатка также придает форму коже. В ней проходят сосуды и располагается нижняя часть фолликулов волос.

Какой Ph кожи головы и волос у человека?

Ph кожи головы и волос у человека нейтральная и составляет 5,5.

Из чего состоит волос человека?

Волосы, подобно деревьям, имеют свой ствол (стержень) и корень. Стержень волоса находится над кожей, а корень располагается в толще дермы и оканчивается волосяной луковицей. Волосяная луковица находится в волосяном мешочке — фолликуле, в просвет которого открываются каналы сальных желез.

Секрет сальных желез придает волосу эластичность и блеск. Если секрета выделяется мало, то волос тусклый и безжизненный. Но при избыточной работе сальных желез волосы быстро становятся жирными и грязными. Таким образом вещества, смазывающие волос человека, образуются в сальных железах.

Каждый волос имеет свою мускулатуру и иннервацию. Вспомните, как встают дыбом волосы от страха или холода — это сокращается мышца и поднимает волос. Создается эффект «гусиной кожи», как на фото ниже. А попробуйте вырвать один волосок. Окажется, что это очень болезненно, поскольку травмируются нервные окончания. Именно поэтому мы чувствуем прикасание к волосам.

Конституция волоса человека имеет сложную структуру. По химическому составу волос состоит из:

• белка (80 %)
• воды (15 %)
• пигментов и других веществ (5 %)

Строение фолликула волоса

Волосяная луковица питается за счет сосудов, которые подходят к волосяному сосочку, располагающемуся в основании луковицы. Выпадение волос всегда происходит вместе с волосяной луковицей. Растет волос за счет роста и деления эпителиальных клеток. Если рассмотреть строение фолликула волоса под микроскопом в продольном разрезе (кликните на рисунок ниже), то четко выделяется три слоя:

• кутикула
• корковый слой (кортекс)
• мозговой слой (медулла)

Эти слои отчетливо видны в анатомическом строении стержня волоса.

Кутикула

Кутикула — самый наружный слой, состоящий из слоя ороговевших чешуек, которые располагаются как черепица, накладываясь друг на друга. Чешуйки имеют определенное направление от корней к кончикам волос. Кутикула защищает волос от внешних воздействий. Именно кутикула обеспечивает блеск и шелковистость волос. Каждая клеточка кутикулы содержит жирную кислоту, которая придает волосу водоотталкивающие свойства, и чешуйки плотно примыкают друг к другу. При мытье волос она не смывается, зато повреждается при химических воздействиях.

Пористые или стекловидные волосы зависят как раз таки от свойств данного слоя, которые часто даются природой. Пористая структура волос — это сухие ломкие волосы, быстро впитывающие грязь и химические вещества. Стекловидные волосы — упругие и плотные.

Кортекс

Корковый слой (кортекс) находится сразу под кутикулой и обеспечивает эластичность волоса. Из-за особенностей в строении этого слоя люди могут иметь прямые и кудрявые волосы, которые в свою очередь наследуются генетически. Благодаря хорошо развитому корковому слою волосы можно скручивать и растягивать. При недостаточности этого слоя волосы становятся ломкими.

Кортекс на 90 % состоит из кератина — белка, входящего в состав волос и отвечающего за их прочность. Остальные 10 % — это меланин – пигмент, который обеспечивает естественный цвет волос, данный природой. Также в этом слое присутствуют пузырьки воздуха, которые, перемешиваясь с пигментом, дают разнообразие оттенков волос. Посмотрите строение волоса на молекулярном уровне ниже на картинке.

Медулла

Мозговой слой (медулла) является сердцевиной волоса. В животном мире мозговой слой служит для терморегуляции. А у человека мозговой слой содержит много пустот и уже не выполняет функции термозащиты. Теперь от развития мозгового слоя зависит сила и объем волос, и именно поэтому иногда , когда генетически вы к этому не предрасмоложены. Но правильные принимаемые внутрь, лучшее питание для мозгового слоя волоса. Они укрепляют его, делая его устойчивым с быстрому выпадению.

Факты о волосах

• Число волос на голове человека насчитывается около 130 тысяч.
• Количество волос на теле человека насчитывается более 5 миллионов фолликулов на разной стадии развития.
• Диаметр или толщина человеческого волоса в микронах составляет от 80 до 110 мкм. Общий вес волос на голове зависит от их длины. Чем длиннее волосы, тем они тяжелее.
• Скорость роста волос — 1-1,5 см в месяц.
• В сутки выпадает примерно 100 шт. волос.

Каждая клеточка человеческого организма претерпевает периоды своего рождения, развития и гибели. Так же и старые волосы постоянно сменяются новыми. Сколько в среднем волос на голове у человека? На голове человека примерно 100-150 тыс. волос. Скорость роста волос человека — 1-1,5 см в месяц. Средняя продолжительность жизни волоса — примерно 4-6 лет, т.е. полная смена волос происходит через несколько лет.

Каждый волос может расти в течение этого времени непрерывно, пока не наступает период покоя, который может длиться до 3 месяцев. Как правило, все волосы в фазе покоя потом выпадают. Примерно 90 % всех волос находятся в стадии роста, а 10 % — в стадии покоя. С возрастом рост волос замедляется, и это считается естественным явлением. Все фазы отражены на картинке ниже.

Каждый волос проходит через 3 основные фазы роста:

• стадия роста (анагенная или анагеновая фаза)
• стадия промежуточная (катагенная фаза)
• стадия отдыха (телогенная фаза)

В анагенной или анагеновой фазе роста идет активный рост и развитие волоса. Средняя продолжительность фазы роста волос — в течение нескольких лет. Ученые утверждают, что в стадии роста волос надежно защищен от внешних факторов и никакие средства по уходу за волосами не могут повлиять на их рост.

В промежуточной стадии рост волоса притормаживается, деление клеток прекращается, прекращает вырабатываться меланин, и волос отделяется от матрицы, а фолликул сокращается. Эта стадия длится всего несколько недель.

Стадия отдыха характеризуется тем, что волос может выпасть спонтанно или при небольшом усилии. Эта стадия продолжается в среднем 3 месяца. Когда волос выпадает, на его месте из того же фолликула вырастает новый. Таким образом цикл может продолжаться до 25-27 раз. Поэтому выпадение волос является естественным процессом замены старых волос на новые.

Типы кожи головы и виды волос: краткая характеристика

Как правило тип кожи и волос разделяют по степени сухости и жирности. Выделяют:

• Нормальные
• Жирные
• Сухие
• Смешанные

Жирность волос объясняется степенью активности сальных желез, о которых я говорила в начале статьи. И чем активнее эти железы работают, тем быстрее волосы засаливаются.

У сухих волос другая крайность. Они более ломкие и имеют тусклый цвет. У людей с сухим типом волос, чаще всего обнаруживается перхоть и секущиеся кончики. Давайте рассмотрим еще такой вопрос: «Какие волосы одновременно растут на теле человека»

На теле человека различают следующие группы волос:

• длинные
• щетинистые
• пушковые

Длинные располагаются на голове, подмышках и лобке. Щетинистые — это ресницы, брови, волосы в полости носа и уха. Пушковые — это остальные волосы на теле.

Каковы особенности роста различных волос у человека?

Все волосы на теле у человека растут с одинаковой скоростью.

Функция волос

Волосы это не только красиво, но и функционально необходимо для жизнедеятельности человека. Трудно представить себе человека совсем без волос. Наверное, он был бы похож на инопланетянина.

Изначально волосяной покров играл защитную функцию. Он защищал нас от плохих погодных условий. Сейчас для нас это не актуально, но щетинистые волосы все равно продолжают выполнять защитную функцию. Например, ресницы не дают попадать пыли и мелким крупицам в глаза. А брови защищают глаза от пота, задерживая его. Тоже самое с волосами в носу и ушах.

В настоящее время волосы на теле не всегда приветствуются, особенно у женщин и поэтому они все время пытаются от них избавиться. и этому посвящена моя статья.

Смена волос у человека

Каждый день человек теряет в среднем от 30 до 100 волос и это считается нормой. Старые волосы отмирают на их место приходят другие. Поэтому не стоит беспокоиться раньше времени, если у вас на расческе обнаружено несколько волосинок. Лучше понаблюдать и возможно даже посчитать, сколько же волос у вас выпадает за сутки, а уж потом бежать к трихологу — врачу, который занимается волосами.

С теплотой и заботой, Равила.

Химический состав волос и кожи. | Презентация к уроку по биологии (8 класс):

Слайд 1

Химический состав волос и кожи

Слайд 2

Волосы покрывают почти все тело человека, кроме ладоней, подошв, красной каймы губ и некоторых других участков. Виды волос: длинные (на голове, подбородке, подмышечных впадинах) щетинистые (брови, ресницы и др.) пушковые (на всем теле). Волосы

Слайд 3

В волосе различают: Стержень – выступает над поверхностью кожи Корень – находится в толще кожи и оканчивается волосяной луковицей Корень вместе с луковицей заключен в волосяной фолликул, в который впадают выводные протоки сальных желез. В волосяную луковицу вдается соединительнотканный сосочек, снабженный кровеносными сосудами и нервными волокнам. Если удалить волосяной сосочек, то погибнет весь волос. Строение волос

Слайд 5

В луковице происходят все основные обменные, гормональные, иммунные реакции. Она хорошо кровоснобжается. В ней происходит деление клеток. Это «живая» структура, на которую мы можем воздействовать. Стержень – структура заведомо «мертвая». Мы можем только обеспечивать хороший и качественный уход за стержнем, позволяющий как можно дольше сохранить его красивый вид. Это именно эстетическая составляющая.

Слайд 6

СТРУКТУРА И ФИЗИОЛОГИЯ ВОЛОС Количество волосяных фолликулов определено генетически. Количество волос на голове каждого человека 115 000 – 120 000. На протяжении всей жизни из каждого фолликула может вырасти 20 – 30 волос. Каждый волос, находящийся в стадии «отдыха» в конце концов выпадает, и его заменяет вновь растущий волос. Как правило, 90% волос находятся в стадии роста и 10% – в фазе отдыха.

Слайд 7

Каждый волосяной фолликул имеет свою систему кровоснабжения, обладает собственной иннервацией и мускулатурой. Волосяной фолликул находится глубоко в жировом слое скальпа. СТРУКТУРА И ФИЗИОЛОГИЯ ВОЛОС Химический состав волоса Углерод: 45% Кислород: 28% Азот: 15% Водород: 7% Сера: 5%

Слайд 8

СТРОЕНИЕ СТЕРЖНЯ ВОЛОСА Стержень состоит из трех слоев: мозгового вещества коркового вещества кутикулы Мозговое вещество – сердцевина волоса. Оно отсутствует в пушковых волосах, самых многочисленных, тонких, коротких и бесцветных, покрывающих все участки кожного покрова. Корковое вещество составляет 90% от общей массы волоса. Каждая клетка коркового вещества представляет собой пучок волокон – макрофибрилл. Каждая макрофибрилла в свою очередь состоит из микрофибрилл.

Слайд 9

СТРОЕНИЕ ВОЛОС ОБОЛОЧКА Каждая клетка оболочки содержит внешнюю жирную кислоту, придающую волосу водоотталкивающие свойства. Она на смывается шампунем, но разрушается при химической завивке и отбеливании. Секрет сальных желез покрывает оболочку. Он выполняет защитную функцию. КУТИКУЛА Выполняет защитную функцию Образована 6-10 перекрывающимися слоями прозрачных пластинок кератина

Слайд 10

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ВОЛОСА Анаген – период постоянного роста; матричные клетки луковицы быстро делятся, активно вырабатывается меланин. Катаген – период атрофии волосяного сосочка. В результате клетки волосяной луковицы лишаются питания, перестают делиться и начинают ороговевать. Происходит деградация волосяной луковицы, Длительность стадии – 2-3 недели. Телоген – период атрофии волосяной луковицы. Волос становится тоньше, светлее. Спустя 3 месяца он достигает края воронки фолликула (т.к. постепенно поднимается) и затем выпадает.

Слайд 11

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ВОЛОСА

Слайд 12

ЦИКЛ ВОЛОС АНАГЕН Может продолжаться от 2 до 7 лет. Волосы могут достигать длины более 1 метра. Волосы вырастают на 1 см в месяц.

Слайд 13

ЦИКЛ ВОЛОС КАТАГЕН Промежуточная фаза. Деление клеток прекращается. Пигмент не образуется. Фолликул сокращается. Основание фолликула перемещается по направлению к коже. Длится 3-4 недели.

Слайд 14

ЦИКЛ ВОЛОС ТЕЛОГЕН Волос может выпасть спонтанно. Волос выпадает тогда, когда под ним начинается рост нового волоса. Новый волос вырастает из того же фолликула, что и старый. Продолжительность в среднем 3-4 месяца. За это время восстанавливается связь между волосяной луковицей и волосяным сосочком.

Как устроен волос человека. Строение и состав волоса

Так как волосы воспринимаются, как украшение головы, следует знать, для чего они нужны, какой их состав и что вообще они из себя представляют.

Оказывается, наши шевелюры служат для головы защитой от перегрева и переохлаждения. Во вьющихся локонах хорошо сберегается воздух, поэтому происходит защита от солнечного удара и теплоизоляция. Чтобы локоны всегда нас радовали и защищали, нужно за ними правильно ухаживать, а для этого желательно знать, из чего состоят волосы человека.

Химический состав волос человека:

• альфа белки, кератин – 78 %;
• вода – 15 %;
• липиды – 6 %.

Ввиду того, что кератин обогащен витаминами и микроэлементами, то его соединяющими являются цепочки, соединенные друг с другом перпендикулярными линиями аминокислотных осадков. Пересекающиеся линии добавляют кератину упругость и плотность. Также в локонах содержится от 4 до 8 % жировых веществ и холестерола, железа, мышьяка, азота и серы (входит в состав кератина) 3 %. Количество содержания меланина, в каждом организме разное, он отвечает за пигментацию.

От химического состава волоса зависим его окрас. В темных локонах содержится большее количество углерода и малое кислорода. В светлых локонах содержание кислорода превышает содержание углерода. В смешанной пигментации локонов содержание углерода составляет 50,65 %, водорода 6,36 %, азота 17,14 %, серы 5 % и кислорода 20,85 %.

Но важными для корней волос являются 4 аминокислоты, которые питают их:

• цистин снабжает волосы серой, которая необходима для образования кератина. При употреблении мяса, молока, овощей и соевых продуктов, нехватки цистина не будет;
• гистидин действует как анти стресс для организма, также способствует росту и обновлению тканей. Последователь гистамина (гормон, оберегающий от раздражителей), гистидин содержится в сырах, арахисе, сое;
• тирозин нормализует работу щитовидной железы, спасает от выпадения волос и их ломкости, несет ответственность за их цвет и цвет кожи. Содержится тирозин в миндальных орехах, молочных продуктах, кунжутных семечках и авокадо;
• лизин нужен для восстановления и роста тканей, несет ответственность за здоровые локоны. Употребляя молочные, мясные и рыбные белки, а также чечевицу, сою и пророщенные зерна пшеницы, в организм будет поступать лизин. Не имеет свойства накапливания в организме.

Правильное и сбалансированное питание обеспечит здоровые и роскошные волосы.

Строение волоса

Из-за пластинок, которыми покрыт волосяной стержень, имеет сходство с еловой шишкой.

Кутикула (утикула), корковый слой (кортекс), мозговой слой (медулла).

1. стрежень;
2. сальная железа;
3. мышца, поднимающая волос;
4. корень волоса;
5. волосяной фолликул;
6. внутреннее корневое влагалище;
7. наружное корневое влагалище;
8. волосяная луковица;
9. волосяной сосочек.

Кутикула

Верхний слой волосяного стержня, который состоит из ороговелых пластинок.

Похож он на черепичное покрытие крыш домов или еловую шишку. Пластинки направлены от корня к кончику стержня. Кутикула обеспечивает защиту шевелюры от внешних раздражителей. Только она отвечает за блеск и гладкость локонов.

Все клеточки кутикулы содержат жирные кислоты, которые придают водоотталкивающее свойство волосу, плотно соединяя друг с другом пластинки. Стеклообразная или рыхлая структуры волос, зависят от плотности соединения пластинок.

Рыхлая структура – это сухость и ломкость волосяного стержня, стеклообразная – это упругость и плотность.

Кортекс

Корковая часть, находящаяся под кутикулой, отвечает за упругость локонов. Благодаря особенности строения кортекса можно делать кудри и выпрямлять их. Если корковый слой истощится, то локоны станут ломкими.

Медулла

Сердцевина, является мозговым слоем волосяного стержня. Слой отвечает за объемность и силу шевелюры. У животных мозговой слой предназначен для терморегуляции, но у людей в нем, находятся пустоты, поэтому функцию терморегуляции он не выполняет. Чтобы укрепить слой, нужно принимать витаминный и белковый комплекс питания для организма.

Структура локонов, к сожалению, разрушается из-за неблагоприятных погодных условий и химических обработок. Рост шевелюры заложен генетически, а выпадение зависит от периодов, в которых находятся они. В активный период, который длится от двух до шести лет, за сутки локоны вырастают на пол миллиметра. Во второй стадии, которая длится от 3 до 6 недель, наступает замирание волосяного сосочка, поэтому клетки прекращают деление и поддаются затвердению. После чего плавно переходят в период покоя, который длится у каждого индивидуально.

Химический состав волос

Белок (протеин), незаменимый компонент пищи. Его функции важны для обновления всего организма, потому что
он главный материал в строении клеток. Мышцы, волосы, кости, ногти не могут жить без протеинов. При достаточном поступлении белков в организм, происходит полноценное обеспечение гормонального уровня.

Также белки нейтрализуют и обеспечивают выведение токсинов из организма. При их дефиците, происходит уменьшение устойчивости организма к инфекционным заболеваниям. Белки помогают крови транспортировать липиды, углеводы, гормоны, витамины и лекарственные вещества.

Протеины – это информаторы, а именно аминокислотные цепочки (нуклеиновых кислот), которые являются носителями информации на генном уровне.

• сократительные белки – актин и меозин, содержатся в мышечных тканях;
• ферменты белков – пепсин, способствует перевариванию пищи;
• белки гемоглобины – отвечают за доставку кислорода во все клетки, выводят углекислый газ из организма;
• фибриногены белков – отвечают за сворачиваемость крови, при наружных повреждениях кожи;
• родопсины белков – особые светочувствительные белки, благодаря им мы можем видеть;
• коллагеновые белки – содержатся в коже, сухожилиях, связках, хрящах и костях;
• эластины белков – входят в состав стенок кровеносных сосудов;
• кератиновые белки – строительный материал для ногтей и волос, в человеческом организме.

В человеческом организме белки зарождаются постоянно, из двух групп аминокислот, которые поступают с пищей.

Это незаменимые и заменимые аминокислоты.

• незаменимые – лизин, валин, триптофан, лейцин, треонин, изолейцин, фенил-аланин и метионин, все они должны обязательно поступать в организм, потому что они не производятся;
• заменимые – алан, аргинин, тирозин, цистин и пр., эти аминокислоты производятся из разных аминокислот в организме.

Сочетание продуктов растительного и животного происхождения, в питании улучшает равновесие аминокислот в организме. Очень богаты белками мясо кур, нежирный творог, горох, орехи, морепродукты, соя, фасоль и сыры.

Чуть меньше белков содержится в свинине, пшене, овсянке, макаронах, жирном твороге, яйцах, гречневой и манной крупах, пшеничной муке и вареных колбасах.

Еще меньшее содержание протеинов в зеленом горошке, перловой крупе, рисе, в ржаном и пшеничном хлебе. Мало их содержится в кефире, шпинате, цветной капусте, картофеле, мороженом, молоке и сметане.

В овощах, фруктах, ягодах и грибах их очень маленькое количество.

Знайте, что кишечник всасывает больше 90 % аминокислотных белков из продуктов животного происхождения, а от 60 % до 80 % растительного. Поэтому мы не можем жить полноценно, без белков, аминокислот, жиров и углеводов.

Только сбалансированное меню в нашем рационе, поможет сохранить и улучшить здоровье, красоту и привлекательность.

Все люди хотят иметь здоровые волосы, однако не всем это удается. Часто это происходит потому, что большинство людей мало знает строение волоса, этой поистине удивительной части тела.

Нужно сразу же сказать, что у каждого человека на всем теле находятся мельчайшие волоски. Не растут они только на ладонях, ногтях, стопах, губах и по бокам пальцев. Оволосение тела – это строго индивидуальные черты конституции. На некоторых участках тела волосяной покров еле ращличим, на других они только одного цвета.

Функции

Прежде чем вести речь про строение волоса человека, следует коснуться такой темы, как строение кожи головы. Вообще, кожа покрывает все человеческое тело, ее масса – это 5% всей массы тела. Кожа состоит из нескольких слоев:

• эпидермиса – верхнего слоя, состоящего из частично омертвевших клеток, которые смываются во время водных процедур;
• базального;
• зернистого;
• блестящего;
• рогового.

Кожа головы выполняет целый ряд очень важных функций, без которых была бы невозможна жизнедеятельность всего организма. К ним относится защитная функция, которая предохраняет от проникновения в организм вредоносных микробов или иных микроорганизмов. Именно слой эпидермиса препятствует разного рода механическим повреждениям. Иммунная функция призвана изыскивать чужеродные тела и доставлять их в места нейтрализации – лимфатические узлы. С помощью рецепторной функции кожи человек обладает способностью различать тактильные и температурные колебания и раздражители. Благодаря обменной функции кожа имеет способность дышать, а также вырабатывать секреты, которые создают на ее поверхности тонкую пленку.

Терморегулирующая функция способствует тому, что во время повышения температуры происходит расширение сосудов, а при снижении градусов кровоток замедляется, соответственно, уменьшаются процессы испарения.

Строение кожи головы и волос тесно взаимосвязано.

Для того чтобы иметь здоровые и красивые волосы, необходимо крепкое основание, которое и удерживало бы их. Вот почему так важно правильно, хорошо и разнообразно питаться, насыщая свой организм полезными и нужными веществами.

В связи с неудовлетворительной экологией большинству людей рекомендуется несколько раз в год в обязательном порядке принимать витаминно-минеральные комплексы, которые и будут способствовать оздоровлению и укреплению кожи и волос. В некоторых случаях специалисты советуют принимать комплексы с большим содержанием витаминов А и Е, например, витаминные препараты типа Аевита.

Следует помнить и о том, что структура волоса, его цвет, интенсивность роста, количество фолликулов закладываются природой генетически, поэтому повлиять на такие характеристики, в сущности, невозможно. Вот почему нельзя слепо доверяться рекламе, обещающей чуть ли не за 1 раз сделать волосы гуще и крепче. Основной упор должен делаться на здоровое питание и регулярный уход за волосяным покровом.

Состав и структура

Состав волоса – это большое количество белка, называемого кератином, определенное количество воды, немного металлов и минеральных веществ. Вообще, волосы – это роговые кожные образования, присутствующие только у представителей млекопитающих и homo sapiens. Их строение лучше всего изучать с помощью микроскопа. Волосы имеют как внутреннюю, так и внешнюю части. Во внешней части располагаются:

1. Сердцевина, в составе которой много неороговевших клеток.
2. Корковый слой, называемый кортексом. Именно в этом слое содержится много вещества «меланин», которое и отвечает за цвет волос человека.
3. Наружный слой, называемый кутикулой, при ближайшем рассмотрении это маленькие чешуйки, напоминающие черепицу. При наличии здоровых волос именно этот слой радует глаз своим блеском. Кутикула также защищает внутреннюю часть волос.

Природный антисептик, который входит в жировую смазку, призван защищать кортекс от инфекций. Состояние стержня волоса напрямую зависит от окружающей среды, в которой пребывает человек. Различные заболевания могут ухудшать состояние волос, поскольку доступ нужного количества витаминов к ним в таком случае затруднен.

Каждый волосок вырастает из собственного фолликула. Корень же по своей форме напоминает мешочек. Волосы растут до тех пор, пока живы их корни, располагающиеся в коже головы. Фолликул – это, собственно, углубление, в котором и находится такой корешочек. Он расширяется книзу и образует волосяную луковицу. Именно к этой части волос подведены сосуды и железы, обеспечивающие процессы питания и вывода отработанных продуктов. На внутренней стороне фолликула расположен волосяной сосок, состоящий из очень тонких сосудов, нервной и соединительной ткани. Нужно помнить, что видимая часть волос уже мертва, живая часть располагается непосредственно под кожей головы.

Толщина и количество волосяного покрова

Поняв, что из себя представляет структура волоса, познакомимся с функциями волосяного покрова.

1. Итак, первая и основная функция – защитная. Благодаря ей кожа головы не страдает от ультрафиолета, исходящего от прямых солнечных лучей.
2. Терморегулирующая функция. Именно на человеческой голове волосяной покров создает оптимальную температуру для работы головного мозга. В процессе охлаждения специальные мышцы обеспечивают подъем волос, а они предупреждают подъем собственного тепла от кожного покрова.
3. Функция осязания. Именно нервные окончания на коже головы придают ей чувствительность к малейшим изменениям положения волос. Это особенно заметно, если на голове появляется какое-то инородное тело.

Толщина волос и их количество – строго индивидуальные характеристики. К примеру, количество стержней может варьироваться от 100 до 150 тыс. Толщина зависит от цвета. Ученые подсчитали, что в среднем у блондинов она 50 мкм, брюнеты имеют 75 мкм, а рыжие люди – 100 мкм. Кудрявость волос зависит от расположения фолликула по отношению к поверхности головы.

Напрямую с этим связаны и виды человеческого волоса, который может быть:

• длинным;
• пушковым;
• щетинистым.

Иная классификация подразделяет человеческие волосы на такие типы:

1. Жирные. В этом случае наблюдается повышенная активность сальных желез и избыток смазки. На коже головы наблюдается почти постоянный жирный блеск, волосы могут быстро загрязняться и приобретать неопрятный вид.
2. Сухие. Наоборот, активность сальных желез низкая. Кожа сухая, стержень ломкий, а кончики волос часто секутся.
3. Нормальные. Как видно из самого названия, в этом случае состояние кожи сбалансировано.

В некоторых случаях ведут речь и о «переходном» типе волос.

Вместе с тем, как человек становится старше, изменяется и плотность его волосяного покрова в сторону уменьшения. Для подтверждения этого достаточно сравнения рисунка волос юноши и человека средних лет. Длина одного волоса может достигать 1 м. После этого рост прекращается в течении 3 месяцев. По истечении этого срока начинают появляться новые фолликулы. Около 3/4 всех волос одновременно развиваются и растут, а остальная 1/4 «отдыхает». Здоровые фолликулы очень упругие и прочные. Они поддаются растяжению на 1/5 части своей длины, после этого они возвращаются в свое прежнее состояние. Их прочность сопоставима с прочностью такого металла, как алюминий. Именно благодаря этому они способны выдерживать большие нагрузки.

Кроме этого, человеческие волосы по своей природе очень гигроскопичны, то есть способны довольно быстро поглощать влагу. Благодаря этому волосяной покров относительно устойчив к воздействию слабых кислот, а вот на щелочи фолликулы реагируют плохо.

В некоторых случаях человеческие волосы можно использовать как идентификатор, поскольку они обладают способностью к накоплению определенных веществ.

Маленькие хитрости при мытье

Во время мытья головы нужно массировать ее кожу кончиками пальцев, чтобы добиться лучшей циркуляции крови. Это послужит дополнительной стимуляцией сальных желез, которые создают на волосах природный защитный слой. Лучше использовать шампунь 2 раза.

В первый раз стараться промыть собственно кожу головы, а другой раз – волосы. Нужное количество моющего средства лучше нанести на ладонь и тщательно растереть, чтобы его нанесение проходило равномерно по всей голове.

Как известно, лучшим украшением любой женщины являются её волосы. По своей структуре они бывают разные: у кого-то тонкие и ломкие, а у кого-то – густые и упругие. Структура волос во многом зависит от их состава. Рассмотрим же более подробно, из чего состоит волос.

Строение волоса

Волос, как правило, состоит из видимой и невидимой части. Видимая часть волоса – это стержень, невидимая, погружённая в кожу головы, – это корень. Нижняя часть корня содержит в себе маленький сосочек, который состоит из кровеносных сосудов и нервных окончаний. Данный сосочек выполняет питательную функцию для обеспечения роста волос.

Корень волоса закреплен в так называемом волосяном мешочке – фолликуле. Таким образом, от количества фолликул в коже головы зависит густота шевелюры. Так как количество фолликулов заложено на генетическом уровне, то густота человеческой шевелюры определяется с самого рождения. Обычно у женщин со светлыми волосами насчитывается примерно до ста пятидесяти тысяч волос, а у женщин с рыжими волосами – восемьдесят тысяч волос. Количество волос у висков и лба значительно меньше, чем на темени.

Самой глубокой и расширенной частью корня является луковица. Место совпадения выхода волоса на поверхность с выходом сальных желез, окружающих данный волос, называется волосяной порой. Благодаря сальным железам поддерживается эластичность наружной части волоса. При выделении секрета из сальных желез в недостаточном количестве волос тускнеет и становится ломким.

Корень волоса и поверхность кожи соединяет небольшая волосяная мышца, регулируемая нервной системой. При сокращении волосяной мышцы волос становится в вертикальном положении. Данный процесс наиболее чётко выражен у человека при испуге.

Что касается волосяного стержня, то он включает в себя три слоя: наружный, средний и последний (внешний). Наружный слой волосяного стержня получил название кутикула. Он состоит из семи или девяти рядов роговых пластинок, которые располагаются в форме черепицы. Средний слой волосяного стрежня называется кортексом. Он выполняет гибкую и эластичную функцию волоса, а содержание пигмента меланина придаёт волосам насыщенный цвет. При старении организма человека данный пигмент потихонечку пропадает, что вызывает появление седых волос. Последний слой волосяного стержня получил название «медулла». Он содержит не полностью ороговевшие клетки. Если у человека очень тонкие волосы, то в таких волосах может и не быть последнего слоя волосяного стержня. Мы рассказали Вам, из чего состоит волос, а теперь подробнее рассмотрим его химический состав.

Химический состав волоса

Химический состав волос характеризуется наличием углерода, кислорода, азота, водорода и серы. Основные составные части волоса – это меланин и кератин. Благодаря кератину происходит ороговение волосяных клеток, а наличие меланина в составе волос обеспечивает их насыщенность цвета. Волос также содержит и такие вещества, как холистерол, минеральные соединения и мышьяк.

При торможении и полной остановке процесса функционирования активных клеток сосочка происходит замена умершего волоса на новый свежий волос. Таким образом происходит выталкивание луковицы наружу, что влечёт за собой выпадение волоса. Благодаря образовавшимся новым активным клеткам в волосяном мешочке зарождается жизнь нового волоса. Нормальный естественный процесс смены волос характеризуется выпадением в размере 30-50 волос в сутки.

При всём этом следует помнить, что любые волосы требуют тщательного ухода. Чем лучше мы будем за ними ухаживать, тем дольше они будут радовать глаз своей хорошей структурой и насыщенным цветом!

Приветствую Вас, дорогие читательницы! Поговорим сегодня о строении фолликулов волос и коже головы человека, узнаем больше о фазах роста и химическом составе волоса. Зная основы основ, можно грамотно подходить к уходу и заботе отнюдь не бесполезного органа.

Волосы являются придатком кожи, впрочем как и ногти. О коже, волосах и ногтях необходимо заботиться, поскольку это главные защитники от напастей из окружающей среды.

Знаете ли вы чем женщина привлекает, завораживает и околдовывает всех без исключения мужчин?! Безусловно длинными, блестящими, ниспадающими прядями шелка на своих плечах и спине.

Не правда ли, что человек, особенно женщина, с тонкими волосами или вообще без них особо не впечатляет. Я не веду речь о знаменитых лысых звездах таких, как Федор Бондарчук, Брюс Уиллис или Деми Мур в фильме «Солдат Джейн». Я говорю сейчас об обычных женщинах и мужчинах, которых мы видим каждый день.

Вы наверное согласитесь со мной, что встречая женщину или девушку с густыми, длинными волосами, мы невольно оборачиваемся ей вслед. А ведь красота волос и эффект, который они оказывают на окружающих, напрямую зависит от их структуры и состава. Но давайте сначала рассмотрим морфологию кожи головы человека.

Основы анатомии и физиологии кожи и волос

Кожа человека на любом участке тела состоит из одинаковых частей или слоев, т. е. кожа головы мало отличается от кожи живота, например. Кликните и рассмотрите рисунок ниже, на которой нарисован срез кожи с волосом. Как вы видите она состоит из трех слоев:

1. Эпидермис
2. Дерма
3. Жировая клетчатка

Эпидермис — это тонкий защитный слой клеток, который постоянно обновляется. Клетки расположены в несколько слоев. Наружные слои клеток в виде роговых чешуек отмирают и отшелушиваются, а снизу образуются новые. таким образом происходит обновление. Эпидермис выполняет защитную роль, защищая организм от внешних воздействий воды, химических веществ и ультрафиолетового облучения.

Дерма — это средний слой, находящийся под эпидермисом. В ней расположены сосуды, мышцы, сальные и потовые железы, а также фолликулы волос или корни волос. Именно дерма обусловливает эластичность и тонус кожи.

Жировая клетчатка также придает форму коже. В ней проходят сосуды и располагается нижняя часть фолликулов волос.

Какой Ph кожи головы и волос у человека?

Ph кожи головы и волос у человека нейтральная и составляет 5,5.

Из чего состоит волос человека

Волосы, подобно деревьям, имеют свой ствол (стержень) и корень. Стержень волоса находится над кожей, а корень располагается в толще дермы и оканчивается волосяной луковицей. Волосяная луковица находится в волосяном мешочке — фолликуле, в просвет которого открываются каналы сальных желез.

Секрет сальных желез придает волосу эластичность и блеск. Если секрета выделяется мало, то волос тусклый и безжизненный. Но при избыточной работе сальных желез волосы быстро становятся жирными и грязными. Таким образом вещества, смазывающие волос человека, образуются в сальных железах.

Каждый волос имеет свою мускулатуру и иннервацию. Вспомните, как встают дыбом волосы от страха или холода — это сокращается мышца и поднимает волос. Создается эффект «гусиной кожи», как на фото ниже. А попробуйте вырвать один волосок. Окажется, что это очень болезненно, поскольку травмируются нервные окончания. Именно поэтому мы чувствуем прикасание к волосам.

Конституция волоса человека имеет сложную структуру. По химическому составу волос состоит из:

• белка (80 %)
• воды (15 %)
• пигментов и других веществ (5 %)

Строение фолликула волоса

Волосяная луковица питается за счет сосудов, которые подходят к волосяному сосочку, располагающемуся в основании луковицы. Выпадение волос всегда происходит вместе с волосяной луковицей. Растет волос за счет роста и деления эпителиальных клеток. Если рассмотреть строение фолликула волоса под микроскопом в продольном разрезе (кликните на рисунок ниже), то четко выделяется три слоя:

• кутикула
• корковый слой (кортекс)
• мозговой слой (медулла)

Эти слои отчетливо видны в анатомическом строении стержня волоса.

Кутикула

Кутикула — самый наружный слой, состоящий из слоя ороговевших чешуек, которые располагаются как черепица, накладываясь друг на друга. Чешуйки имеют определенное направление от корней к кончикам волос. Кутикула защищает волос от внешних воздействий. Именно кутикула обеспечивает блеск и шелковистость волос. Каждая клеточка кутикулы содержит жирную кислоту, которая придает волосу водоотталкивающие свойства, и чешуйки плотно примыкают друг к другу. При мытье волос она не смывается, зато повреждается при химических воздействиях.

.

Пористые или стекловидные волосы зависят как раз таки от свойств данного слоя, которые часто даются природой. Пористая структура волос — это сухие ломкие волосы, быстро впитывающие грязь и химические вещества. Стекловидные волосы — упругие и плотные.

Кортекс

Корковый слой (кортекс) находится сразу под кутикулой и обеспечивает эластичность волоса. Из-за особенностей в строении этого слоя люди могут иметь прямые и кудрявые волосы, которые в свою очередь наследуются генетически. Благодаря хорошо развитому корковому слою волосы можно скручивать и растягивать. При недостаточности этого слоя волосы становятся ломкими.

Кортекс на 90 % состоит из кератина — белка, входящего в состав волос и отвечающего за их прочность. Остальные 10 % — это меланин – пигмент, который обеспечивает естественный цвет волос, данный природой. Также в этом слое присутствуют пузырьки воздуха, которые, перемешиваясь с пигментом, дают разнообразие оттенков волос. Посмотрите строение волоса на молекулярном уровне ниже на картинке.

Медулла

Мозговой слой (медулла) является сердцевиной волоса. В животном мире мозговой слой служит для терморегуляции. А у человека мозговой слой содержит много пустот и уже не выполняет функции термозащиты. Теперь от развития мозгового слоя зависит сила и объем волос, и именно поэтому иногда , когда генетически вы к этому не предрасмоложены. Но правильные принимаемые внутрь, лучшее питание для мозгового слоя волоса. Они укрепляют его, делая его устойчивым с быстрому выпадению.

Факты о волосах

• Число волос на голове человека насчитывается около 130 тысяч.
• Количество волос на теле человека насчитывается более 5 миллионов фолликулов на разной стадии развития.
• Диаметр или толщина человеческого волоса в микронах составляет от 80 до 110 мкм. Общий вес волос на голове зависит от их длины. Чем длиннее волосы, тем они тяжелее.
• Скорость роста волос — 1-1,5 см в месяц.
• В сутки выпадает примерно 100 шт. волос.

Каждая клеточка человеческого организма претерпевает периоды своего рождения, развития и гибели. Так же и старые волосы постоянно сменяются новыми. Сколько в среднем волос на голове у человека? На голове человека примерно 100-150 тыс. волос. Скорость роста волос человека — 1-1,5 см в месяц. Средняя продолжительность жизни волоса — примерно 4-6 лет, т.е. полная смена волос происходит через несколько лет.

Каждый волос может расти в течение этого времени непрерывно, пока не наступает период покоя, который может длиться до 3 месяцев. Как правило, все волосы в фазе покоя потом выпадают. Примерно 90 % всех волос находятся в стадии роста, а 10 % — в стадии покоя. С возрастом рост волос замедляется, и это считается естественным явлением. Все фазы отражены на картинке ниже.

Каждый волос проходит через 3 основные фазы роста:

• стадия роста (анагенная или анагеновая фаза)
• стадия промежуточная (катагенная фаза)
• стадия отдыха (телогенная фаза)

В анагенной или анагеновой фазе роста идет активный рост и развитие волоса. Средняя продолжительность фазы роста волос — в течение нескольких лет. Ученые утверждают, что в стадии роста волос надежно защищен от внешних факторов и никакие средства по уходу за волосами не могут повлиять на их рост.

В промежуточной стадии рост волоса притормаживается, деление клеток прекращается, прекращает вырабатываться меланин, и волос отделяется от матрицы, а фолликул сокращается. Эта стадия длится всего несколько недель.

Стадия отдыха характеризуется тем, что волос может выпасть спонтанно или при небольшом усилии. Эта стадия продолжается в среднем 3 месяца. Когда волос выпадает, на его месте из того же фолликула вырастает новый. Таким образом цикл может продолжаться до 25-27 раз. Поэтому выпадение волос является естественным процессом замены старых волос на новые.

Типы кожи головы и виды волос: краткая характеристика

Как правило тип кожи и волос разделяют по степени сухости и жирности. Выделяют:

• Нормальные
• Жирные
• Сухие
• Смешанные

Жирность волос объясняется степенью активности сальных желез, о которых я говорила в начале статьи. И чем активнее эти железы работают, тем быстрее волосы засаливаются.

У сухих волос другая крайность. Они более ломкие и имеют тусклый цвет. У людей с сухим типом волос, чаще всего обнаруживается перхоть и секущиеся кончики. Давайте рассмотрим еще такой вопрос: «Какие волосы одновременно растут на теле человека»

На теле человека различают следующие группы волос:

• длинные
• щетинистые
• пушковые

Длинные располагаются на голове, подмышках и лобке. Щетинистые — это ресницы, брови, волосы в полости носа и уха. Пушковые — это остальные волосы на теле.

Каковы особенности роста различных волос у человека?

Все волосы на теле у человека растут с одинаковой скоростью.

Функция волос

Волосы это не только красиво, но и функционально необходимо для жизнедеятельности человека. Трудно представить себе человека совсем без волос. Наверное, он был бы похож на инопланетянина.

Изначально волосяной покров играл защитную функцию. Он защищал нас от плохих погодных условий. Сейчас для нас это не актуально, но щетинистые волосы все равно продолжают выполнять защитную функцию. Например, ресницы не дают попадать пыли и мелким крупицам в глаза. А брови защищают глаза от пота, задерживая его. Тоже самое с волосами в носу и ушах.

Человеческие волосы представляют собой длинные и гибкие образования, которые покрывают кожу в некоторых местах, например, на голове. Еще в древности волосы головы и способы их ношения являлись частью личности их обладателя, которая отражала его религиозную и социальную роль в обществе. Чтобы шевелюра имела привлекательный характер, она должна выглядеть здоровой и натуральной. В современном обществе большинство женщин и мужчин также считают прическу важной и необходимой частью своего образа.

Структура человеческого волоса

Анатомию человеческого волоса на коже можно сравнить с деревом на земле. В данном случае ствол дерева – это волосяной ствол, имеющий нитевидную волокнистую структуру, а земля – это фолликул, представляющий собой полость в эпидермисе. Фолликулярная полость имеет цилиндрическую форму и глубину около 4 мм. Каждый человеческий волос состоит из корня, находящегося в фолликуле, и ствола, расположенного над поверхностью эпидермиса. Корень имеет большую толщину, чем ствол. Зона эпидермиса вокруг корня носит название папиллярной области, которая состоит из соединительной ткани и сети кровеносных сосудов, обеспечивающих волос всеми необходимыми для его роста субстанциями.

По мере роста волос выходит из своего фолликула, появляясь над кожной поверхностью. Та часть волоса в виде волокна (ствол), которую мы можем наблюдать, является мертвой с биологической точки зрения. Ствол имеет сложную структуру и состоит из ядра и некоторого количества внешних слоев, выполняющих защитную функцию, и носящих название кутикула.

Кутикула является внешней частью ствола, которая постоянно испытывает атаки со стороны окружающей среды, такие как: ветер, дождь, солнечный свет, соленая вода, химические вещества, краска и механические воздействия. Именно от состояния кутикулы зависит здоровье шевелюры. В настоящее время, в зависимости от типа повреждения кутикулы, существует соответствующее средство для ее восстановления.

Как было сказано выше, папиллярная ткань, находящаяся в основании фолликула и обеспечивающая каждую ворсинку питательными веществами, также требует специального ухода. Он заключается в сбалансированном питании, содержащем все необходимые минералы, витамины и аминокислоты. Дефицит витаминов или анормальный уровень протеинов, ввиду плохого питания или гормональных изменений, могут нарушить правильный рост ворсинок и привести к повреждению структуры их корней, что, в свою очередь, приводит к возникновению проблемы облысения.

Структуризация каждого фолликула такова, что он имеет сальную железу, которая ответственна за выработку специального сального вещества. Эта субстанция является естественной смазкой для шевелюры. Таким образом, можно выделить две основные части в структуре волоса:

• Внешняя часть, которая называется ствол или стержень. Она состоит из полностью кератинизированных мертвых клеток;
• Подкожная или внутренняя часть, которая называется корень. Она состоит из живых растущих клеток. Именно корень дает возможность ворсинке расти.

Строение волоса человека на голове включает следующие составляющие:

Строение волоса на рисунке и описание в разрезе можно посмотреть на схеме по следующей ссылке:

Свойства и состав волоса человека

Наиболее важными характеристиками человеческого волоса являются следующие:

Химический состав

Волос состоит из протеинов , липидов, олигоэлементов, воды, пигментов и других веществ.

• 28% протеинов;
• 2% липидов;
• 70% воды, солей и других субстанций.

Протеины находятся в основном в кератине , который, наряду с кератином ногтей, содержит большее количество серы, чем в коже человека. Сам кератин бывает двух типов: твердый и мягкий. Первый присутствует в кортексе и кутикуле, второй образует медулу.

Жизненный цикл и фазы роста

Волос генетически запрограммирован так, чтобы реализовать на своем жизненном пути 25 циклов со средней продолжительностью каждого из них в 4 года. Под циклом понимается процесс рождения, развития и смерти ворсинки. В свою очередь, каждый фолликул обладает своим собственным циклом, независимо от циклов окружающих его фолликулов. В среднем на голове человека находится 100 000 ворсинок, при этом их рост происходит быстрее у молодых людей, чем у взрослых.

Жизненный цикл принято делить на три основные фазы:

Типы волоска и его цвет

Структура фолликула определяет тип волос. Так, если он маленькой цилиндрической формы, тогда волосы будут тонкими, если же большого размера, тогда толстыми. Если фолликул имеет цилиндрическую форму, тогда волос будет гладким, а если плоскую, то волнистым.

Согласно своей структуре и внешнему виду можно выделить следующие типы :

Гладкий тип характерен для жителей востока, в то время как кучерявую шевелюру имеют представители черной расы. Также встречается смешанный тип, например, у жителей Кавказа доминирует гладко-волнистый тип.

Чем определяется цвет волос

Цвет шевелюры обусловлен содержащимся в ней меланине. Существует два типа меланина: эумеланин, который ответственен за темные цвета, и феомеланин, обуславливающий светлые цвета, например, белый или красноватый. Смесь этих типов меланина определяет натуральный цвет волос.

Также верно, что чем меньше меланина содержит волос, тем более светлые тона он будет иметь, то есть у человека с черной шевелюрой содержится больше этой субстанции, чем у блондина или блондинки. Цвет является индивидуальной характеристикой, которая предопределена генетически так же, как цвет глаз или пигментация кожи. Не только количество и тип, но и форма распределения гранул меланина в кератиновых клетках ствола волоса (в его кортексе) определяют цвет последнего.

В конечном счете цвет шевелюры определяется совокупностью следующих факторов:

К другим факторам относятся влияние некоторых медикаментов, плохое и несбалансированное питание, нарушения нормального метаболизма, сильное эмоциональное возбуждение, беременность у женщин и другие.

Состав для волос

Человеческий волос – это придаток, который растет из фолликулов, трубчатых мешочков в коже черепа или кожи, содержащей корень волоса. Волосы, которые мы подстригаем, расслабляем, окрашиваем и укладываем, представляют собой неживые волокна, состоящие из ороговевшего белка. Внутри волосяного фолликула производятся клетки. Эти клетки созревают в процессе восходящего движения через фолликул. Этот процесс созревания известен как кератинизация. Во время кератинизации клетки поглощают кератин, волокнистый белок. По мере того, как клетки продолжают двигаться вверх, они теряют свое ядро ​​и отмирают, производя неживые ороговевшие клетки (придатки), которые появляются из кожи головы.

Волосы состоят из множества факторов. Белки, необработанные элементы, аминокислоты и связи вместе образуют волокна волос. Основным ингредиентом в составе волос является белок, на долю которого приходится 91 процент волосяных волокон.

Аминокислоты, строительные блоки белка, состоят из элементов COHNS (углерода, кислорода, водорода, азота и серы).

Процентное содержание элементов COHNS в волосах следующее:

ЭЛЕМЕНТ	ПРОЦЕНТ В НОРМАЛЬНЫХ ВОЛОСАХ
Углерод	51%
Кислород	21%
Азот	17%
Водород	6%
сера	5%

Эти элементы образуют связи, называемые боковыми связями, которые связывают вместе длинную цепь аминокислот, известную как полипептидная цепь.Эта цепочка образует спираль, создавая спиралевидное движение, которое переплетается.

Следующие аминокислоты и их процентное содержание содержатся в волокнах волос:

АМИНОКИСЛОТА	ПРОЦЕНТ В НОРМАЛЬНОМ ВОЛОКНАХ
Цистеин	17,5%
Серин	11,7%
Глутаминовая кислота	11,1%
Треонин	6.9%
Глицин	6,5%
лейцин	6,1%
Валин	5,9%
Аргинин	5,6%
Аспарагиновая кислота	5,0%
Аланин	4,8%
Пролин	3,6%
Изолейцин	2.7%
Тирозин	1,9%
фенилаланин	1,4%
гистидин	0,8%
метионин	0,5%

Миллионы полипептидных цепей находятся в слое коры головного мозга. Боковые связи, такие как водородные связи, солевые связи и дисульфидные связи, связывают эти полипептидные цепи. Волокна удерживаются на месте боковыми связями, которые придают волосам эластичность и прочность.

Водородная связь может быть легко разорвана водой или теплом и представляет собой физическую боковую связь. В совокупности водородные связи составляют треть прочности волос.

Солевые связи также являются физическими боковыми связями. Сильные кислые или щелочные растворы разрывают солевые связи, потому что на них влияют изменения pH. Как и водородные связи, солевые связи также составляют примерно одну треть прочности волос.

Дисульфидные связи отличаются от водородных и солевых связей, поскольку они не являются физическими боковыми связями.Дисульфидные связи – это химические боковые связи. Дисульфидные связи соединяют вместе два атома серы, присоединенные к аминокислотам цистеина в полипептидных цепях. Химические средства для расслабления волос и перманентные волны химически изменяют дисульфидную связь волос. Дисульфидные связи не могут быть разрушены водой или теплом.

Анатомия и состав волос – PEP

Структура и химический состав волос предоставляет информацию о взаимодействиях между лекарственными средствами ¹ , которые попадают в волосяной фолликул ² и самими волосами.Волосы состоят в основном из волокнистого белка (65-95%). Кроме того, он содержит небольшое количество липидов и воды. Волосы состоят из мешочков, называемых фолликулами. Фолликулы – довольно простые органы, которые проходят фазы роста и покоя. Они состоят из эпителиальных клеток ³ , непрерывных с поверхностным эпидермисом (самым внешним слоем кожи) (рис. 4). Фолликулы прорастают в слой дермы и ниже, образуя канал, удерживающий стержень волоса. Группы клеток в фолликуле образуют оболочку вокруг волос, чтобы помочь им расти в канале.Сальные железы связаны с большинством фолликулов вблизи поверхности кожи. Внизу фолликула находится луковица, содержащая пучок клеток. Эти клетки являются частью матрицы и отвечают за формирование волос. Им требуется много питательных веществ, потому что они постоянно проходят митоз, чтобы не отставать от своих синтетических потребностей. Клетки в матрице включают кератиноциты ⁴ («циты» = клетки), которые производят кератин. Кератин – это волокнистый белок, содержащий много серных связей, которые помогают придать волосам силу и структуру.[Во время «химической завивки» серные связи разрываются и реформируются, чтобы обеспечить завиток.] Существуют также специальные клетки, называемые меланоцитами ⁵ , которые производят меланин ⁶ или пигмент волос. Выше в луковице волосы приобретают более организованную форму, состоящую из 3 слоев клеток. Самый внешний слой – это кутикула, которая очень чешуйчатая (легко просматривается в микроскоп). Клетки кутикулы помогают закрепить волосы в фолликуле и защищают средний слой клеток, называемый корой. Кора головного мозга составляет основную часть волоса и содержит кератиноциты и меланоциты.Выше фолликула кератиноциты кератинизируются; то есть они заканчивают производство кератина и затем умирают. Самый внутренний слой называется мозговым веществом. В мозговом слое есть крупные ороговевшие клетки и множество воздушных карманов. Эти воздушные карманы помогают определить блеск и цвет волос, влияя на отражение света.

Определения:
¹ вещество, которое влияет на структуру или функцию клетки или организма.
² небольшой мешочек; волосяные фолликулы представляют собой интернализованные структуры эпителиальных клеток, в которых волосы синтезируются и растут
³ клеток, выстилающих все свободные поверхности, такие как кожа, носовые ходы и кишечник
⁴ клетки, в которых синтезируется кератин внутри фолликула
⁵ клетки в матриксе волос и в коре головного мозга, которые синтезируют меланин.
⁶ пигмент, содержащийся в волосах, коже, перьях и т. Д. Это биополимер, который содержится в гранулах внутри меланоцитов и переносится на кератиноциты для придания цвета волосам.

Фигурки:

Рисунок 4 Подробный вид волосяного фолликула. Поперечный разрез стержня волоса показывает 3 слоя клеток. Маленькие темные пятна в слое корковых клеток – это гранулы меланина.

[

Структура волос людей

, , и

Фей-Чи Ян

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Ючэн Чжан

Кафедра физики и астрономии , Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Майкел К.Rheinstädter

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Академический редактор: Микко Карттунен

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Автор, отвечающий за переписку.

Поступило 7 августа 2014 г .; Принято. 22 сентября 2014 г..

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение, воспроизведение и адаптацию на любом носителе и для любых целей при условии правильной ссылки на нее.Для указания авторства необходимо процитировать первоначального автора (ов), заголовок, источник публикации (PeerJ) и либо DOI, либо URL-адрес статьи. Эта статья цитируется другими статьями в PMC.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация 1: Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании. Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m ’- это макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

DOI: 10.7717 / peerj.619 / supp-1

Abstract

Волосы – это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой слабоупакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой головного мозга , которая содержит большую часть массы волокон, в основном состоящих из белков кератина и структурных липиды.Кора головного мозга окружена кутикулой , слоем мертвых перекрывающихся клеток, образующих защитный слой вокруг волос. Соответствующие структуры широко изучались с использованием множества различных методов, таких как световой, электронный и атомно-силовой микроскопы, а также дифракция рентгеновских лучей. Нас интересовал вопрос, насколько молекулярная структура волос отличается от человека к человеку, между мужскими и женскими волосами, волосами разного внешнего вида, такими как цвет и волнистость.Мы включили в исследование волосы родителей и детей, однояйцевых и разнояйцевых близнецов, чтобы увидеть, будут ли генетически похожие волосы иметь сходные структурные особенности.

Молекулярная структура образцов волос была изучена с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения, которая охватывает масштабы длины от молекул до организации вторичных структур. Сигналы из-за фазы спиральной спирали α -спиральных кератиновых белков, промежуточных кератиновых филаментов в коре головного мозга и от липидных слоев в комплексе клеточных мембран наблюдались в образцах всех индивидуумов с очень небольшими отклонениями.Несмотря на относительно небольшое количество людей (12), включенных в это исследование, некоторые выводы можно сделать. Хотя общие черты наблюдались у всех индивидуумов, а соответствующие молекулярные структуры были почти идентичными, в некоторых образцах наблюдались дополнительные сигналы, которые относились к разным типам липидов в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет роль в этой композиции, поскольку идентичные образцы наблюдались в волосах отца и дочери и однояйцевых близнецов, но не у разнояйцевых близнецов.Идентификация и характеристика этих особенностей является важным шагом на пути к обнаружению аномалий в молекулярной структуре волос в качестве потенциального диагностического инструмента для определенных заболеваний.

Ключевые слова: Человеческий волос, молекулярная структура, дифракция рентгеновских лучей, кератин, промежуточная нить, спиральные белки, альфа-спираль, комплекс клеточных мембран

Введение

Волосы на голове человека – это биосинтезированный материал, который имеет сложная внутренняя структура.Волосы взрослого человека составляют около 20–180 мкм в ширину и обычно вырастают примерно до 90 см в длину. Он состоит из множества слоев, включая кутикулу , кору и мозговое вещество . Эти слои связаны вместе комплексом клеточных мембран (Robbins, 2012).

Структура человеческого волоса хорошо известна, и, в частности, дифракция рентгеновских лучей выявила детали молекулярной структуры и организации внутри волос (Fraser et al., 1986; Briki et al., 2000; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Randebrook , 1964; Fraser, MacRae & Rogers, 1962; Kreplak et al., 2001b; Вилк, Джеймс и Амемия, 1995; Полинг и Кори, 1951; Охта и др., 2005; Эстбери и Стрит, 1932; Эстбери и Вудс, 1934; Астбери и Сиссон, 1935; Franbourg et al., 2003; Рафик, Дусет и Брики, 2004; Джеймс и др., 1999; Вероника и Амемия, 1998; Брики и др., 1999; Джеймс, 2001). В частности, методы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволяют определять структуру волос с высоким пространственным разрешением (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006). Это давний вопрос, могут ли изменения молекулярной структуры ногтей или волос быть связаны с определенными заболеваниями и потенциально использоваться в качестве диагностического инструмента. Такой метод, в частности, был бы интересен и актуален как простой неинвазивный метод скрининга рака (James et al., 1999; Briki et al., 1999; James, 2001). Аномальные курчавые волосы, например, характерны для гигантской аксональной нейропатии (Berg, Rosenberg & Asbury, 1972).

Целью данного исследования является использование дифракции рентгеновских лучей для анализа структуры волос на черепе человека у людей с различными характеристиками. 12 человек в этом исследовании включают волосы мужчин и женщин, а также волосы разного цвета и внешнего вида, такие как прямые, волнистые и вьющиеся. Помимо внешнего вида, исследование также включает волосы отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов, чтобы выявить генетическое сходство. Все волосы были собраны у здоровых людей, и перед экспериментами позаботились о том, чтобы волосы не подвергались химической химической завивке или окрашиванию.

Сигналы из-за организации спиральной спирали α -спиральных белков кератина и промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидов в комплексе клеточных мембран наблюдались в волосах всех индивидуумов. Хотя эти общие особенности проявляются независимо от пола или внешнего вида волос с очень небольшим стандартным отклонением основных молекулярных размеров, мы обнаруживаем значительные различия между людьми в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран.Генетика, по-видимому, является наиболее важным фактором, определяющим состав мембран, поскольку не наблюдались или наблюдались незначительные различия в генетически связанных образцах волос, а не во внешних факторах, таких как питание или средства по уходу за волосами.

Свойства человеческого волоса

Кутикула – это самый внешний слой, образованный плоскими перекрывающимися клетками в чешуевидном образовании (Robbins, 2012). Эти клетки имеют толщину примерно 0,5 мкм, длину 45–60 мкм и находятся с интервалами 6–7 мкм (Robbins, 2012).Самый внешний слой кутикулы , эпикутикула, представляет собой липопротеиновую мембрану, толщина которой оценивается в 10–14 нм (Swift & Smith, 2001). Под ним находится слой A с высоким содержанием цистеина и толщиной от 50 до 100 нм, экзокутикула с высоким содержанием цистеина и сильно изменяющейся толщиной в диапазоне от 50 до 300 нм и эндокутикула с низким содержанием цистеина. и толщиной также от 50 до 300 нм.

Большая часть волосяного волокна – это кора, которая содержит клетки в форме веретена, расположенные параллельно оси волокна.Было установлено, что эти корковые клетки имеют диаметр примерно 1–6 мкм и длину 50–100 мкм (Randebrook, 1964). В шерстяных волокнах, а также в человеческих волосах было замечено, что корковые клетки разделены на различные области, называемые ортокортексом, паракортикальным слоем и мезокортексом (Mercer, 1953). Различие в распределении этих типов клеток является важным фактором для определения кривизны волосяного волокна (Kajiura et al., 2006). В частности, прямые волосы имеют тенденцию иметь симметричное распределение орто- и паракортексов, тогда как вьющиеся волосы имеют тенденцию иметь несимметричное распределение этих кортикальных клеток (Kajiura et al., 2006). Большинство корковых клеток состоит из белка, известного как кератин (Роббинс, 2012).

На молекулярном уровне кератин представляет собой спиральный белок (Pauling & Corey, 1950). В волосах есть два типа кератиновых волокон: тип I с кислотными аминокислотными остатками и тип II с основными аминокислотными остатками. Одна нить волокна типа I и одна нить волокна типа II скручиваются вместе, образуя димеры типа coiled-coil. В свою очередь, эти димеры скручиваются антипараллельно с образованием тетрамеров (Crewther et al., 1983; Fraser et al., 1988).

Когда тетрамеры соединяются от головы к хвосту, они известны как протофиламенты (Robbins, 2012). Полагают, что эти тетрамеры или протофиламенты взаимодействуют друг с другом, образуя единую промежуточную нить диаметром примерно 75–90 Å. Текущая модель промежуточного филамента была предложена в 1980-х годах и включает 7 протофиламентов, окружающих протофиламент с одним ядром (Robbins, 2012; Fraser et al., 1988). Промежуточные волокна затем объединяются вместе с образованием макроволокон диаметром от 1000 до 4000 Å (Robbins, 2012; Randebrook, 1964).Между промежуточными филаментами находится матрица, состоящая из белков, связанных с кератином, которые имеют неправильную структуру. Макрофибриллы, состоящие из промежуточных нитей и окружающей матрицы, являются основными единицами кортикальной клетки.

Комплекс клеточных мембран – это материал, который склеивает волосковые клетки. Существуют различные типы комплексов клеточных мембран: кутикула – кутикула , кутикула – кора и кора – котекс в зависимости от местоположения (Robbins, 2012).Общая структура мембраны представляет собой один 15-нм белковый дельта-слой, зажатый двумя 5-нм липидными бета-слоями (Rogers, 1959). Все еще существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было определено, что 18-метилэйкозановая кислота, ковалентно связанная жирная кислота, существует в верхнем бета-слое в кутикуле-кутикуле , но не в мембранах коры-коры (Ward & Lundgren, 1954). Фактически, большинство жирных кислот в бета-слоях мембран в кутикуле-кутикуле связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры коры нековалентно связаны (Robbins, 2012).Дальнейшие данные подтверждают, что жирные кислоты в мембранах кутикула-кутикула организованы в виде монослоя, тогда как жирные кислоты в мембранах клеток коры-коры являются двухслойными (Robbins, 2012). Комплекс кутикула – кора клеточной мембраны представляет собой смесь двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , аналогична мембранам кутикула – кутикула , а сторона, обращенная к коре, аналогична мембранам кора – кора (Robbins, 2012). .

Материалы и методы

Подготовка образцов волос

Это исследование было одобрено Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.Письменное согласие было получено от всех участников. Образцы волос на голове были собраны у 12 взрослых людей разного возраста, пола, национальности, цвета и формы волос. Интересно отметить, что есть 3 пары участников исследования с генетическим родством, включая отца и дочь, разнояйцевых близнецов и однояйцевых близнецов. Характеристики образцов приведены в.

Таблица 1

Список всех образцов волос в этом исследовании.

Эти лица включают мужчин и женщин с волосами разного внешнего вида, например, толщины, цвета и волнистости, а также генетически родственные образцы волос от отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов.Маркировка соответствует данным, приведенным в.

90 F

Тема	Пол	Диаметр (мкм) ± SD	Цвет	Внешний вид	Особый комментарий
1	F	30 ± 3	светло-русый	светлый блондин		дочь
2	M	49 ± 5	коричневый / серый	фигурный	отец
3	F	74 ± 7	черный	волнистый	–
4	M	50 ± 5	светло-коричневый	кудрявый	–
5	F	49 ± 5	блондин	кудрявый	–	1 –	1
6	43 ± 4	светло-коричневый	прямой	–
7	F	61 ± 6	светло-коричневый	волнистый	–
8	F	49 ± 5	черный	волнистый	–
9	F	31 ± 3	светлый	волнистый	волнистый 900	идентичный сдвоенный
10	F	66 ± 7	черный	прямой	братский сдвоенный
11	F	69 ± 7	черный	прямой	раздельный сдвоенный
12	F	48 ± 5	блондин	завитый	идентичный близнец

Собранные образцы волос разрезали на пряди длиной около 3 см.При этом соблюдали осторожность, чтобы не растягивать и не деформировать пряди волос. Для каждого испытуемого около 10 прядей были приклеены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора – это место, где на образце волос происходит рассеяние. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, используемый для закрепления прядей в эксперименте.

Картонный прибор устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки.

Эксперимент по дифракции рентгеновских лучей

Данные дифракции рентгеновских лучей были получены с использованием эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) в лаборатории мембранной и белковой динамики в Университете Макмастера. В BLADE используется вращающийся анод CuK α Rigaku Smartlab мощностью 9 кВт (45 кВ, 200 мА) на длине волны 1.5418 Å. Фокусирующая многослойная оптика обеспечивала параллельный пучок высокой интенсивности с интенсивностью монохроматического рентгеновского излучения до 10 ¹⁰ отсчетов / (с × мм ² ) в месте расположения образца. Чтобы максимизировать интенсивность рассеивания, пряди волос были выровнены параллельно параллельному лучу для максимального освещения. Прорези были установлены таким образом, чтобы около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двумерных данных: хотя он обеспечивает высокое разрешение вдоль экватора, главный луч значительно размывается в направлении q _z до q _z – значения около 0.5 Å ^-1 , ограничивая максимальную наблюдаемую шкалу длин примерно до 13 Å.

Двумерные рентгеновские данные всех 12 пациентов.

Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Показанный диапазон ( q _∥ , q _z ) был определен в предварительных экспериментах, чтобы охватить особенности, наблюдаемые при дифракции рентгеновских лучей. Измерения охватывают шкалу длины от 3 до 90 Å для изучения характеристик спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых филаментов в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на 2D-графиках, заметны тонкие различия, которые подробно обсуждаются в тексте.

Интенсивность дифрагированного излучения регистрировалась точечным детектором. Щели и коллиматоры устанавливались между рентгеновской оптикой и образцом, а также между образцом и детектором соответственно. Путем совмещения прядей волос на рентгеновском дифрактометре можно определить молекулярную структуру вдоль направления волокон и перпендикулярно волокнам. Мы будем называть эти компоненты полного вектора рассеяния Q → как q _z и q _‖ , соответственно, в дальнейшем.На рисунке показаны ориентации q _z и q _‖ . Результатом рентгеновского эксперимента является двухмерная карта интенсивности большой области обратного пространства -2,5 Å ^-1 < q _z <2,5 Å ^-1 и -2,5 Å ⁻¹ < q _‖ <2,5 Å ⁻¹ . Соответствующие масштабы длины в реальном пространстве определяются как d = 2 π / | Q | и охватывают масштабы длины от примерно 3 до 90 Å, включая типичные молекулярные размеры и расстояния для вторичных белковых и липидных структур.

Схема рентгеновской установки и пример рентгеновских данных.

Пряди волос ориентировали на рентгеновском дифрактометре длинной осью вдоль q _z . Двумерные рентгеновские данные были измерены для каждого образца, охватывающего расстояния примерно от 3 до 90 Å, включая сигналы от фазы спиральной спирали , α -кератина, промежуточных фибрилл в кортексе и от комплекса клеточных мембран. Двумерные данные были объединены и преобразованы в линейное сканирование и пригодны для количественного анализа.

Интеграция двумерных данных выполнялась с использованием Matlab, MathWorks. Путем сложения пиковых интенсивностей по направлениям q _z и q _‖ были получены одномерные данные по каждому из двух направлений. Интенсивность q _z была интегрирована азимутально для угла 25 градусов по меридиану. Интенсивность q _‖ была интегрирована азимутально для угла 25 градусов над экватором, как показано на.

Процесс подбора выполняется как для одномерных данных q _z , так и для данных q _‖ , полученных в результате интегрирования. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания вида ( a ⋅ q ^b + c ) в первом прогоне. Начальные параметры были выбраны на основе наблюдаемых положений, ширины и высоты пиков и свободного перемещения по всему диапазону q .Критерий для окончательных параметров состоял в том, чтобы минимизировать средний квадрат разницы между интенсивностью данных и подобранной интенсивностью. Если подобранная интенсивность не может соответствовать форме интенсивности данных, в следующих прогонах будут добавлены дополнительные пики, пока не будет получено хорошее соответствие. Этот процесс был повторен для всех 12 субъектов и проводился без консультации с предыдущими настройками, чтобы минимизировать систематическую ошибку.

Что касается данных SAXS, то вместо них используются функции Гаусса. Следует отметить, что использование оптических компонентов на пути луча влияет на форму наблюдаемых пиков Брэгга: вместо функций пиков Лоренца или Бесселя было обнаружено, что профили пиков Гаусса лучше всего описывают пики МУРР.Процесс подгонки был таким же, как упоминалось ранее: три гауссианы были подогнаны к данным МУРР с использованием параметров свободного движения и экспоненциального фона затухания. Однако для некоторых испытуемых третий пик был зашумленным, и наименьший среднеквадратичный логарифм не мог достичь хорошего соответствия, и, следовательно, данные были подогнаны только с двумя гауссианами.

Результаты

Всего в исследовании приняли участие 12 взрослых субъектов. Подробная информация о поле и внешнем виде прядей указана в. Около 10 прядей были вырезаны из кожи головы, приклеены к держателю образца и выровнены на рентгеновском дифрактометре.Полученные в результате двухмерные карты интенсивности рентгеновского излучения обратного пространства раскрывают изысканные детали молекулярной структуры волос на черепе человека, как показано на рис. Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Отображаемый диапазон ( q _z , q _‖ ) был определен таким образом, чтобы охватить масштабы длины интересующих элементов в предварительных экспериментах.

Данные показывают отчетливое неизотропное распределение дифрагированной интенсивности с ярко выраженными и четко определенными интенсивностями вдоль длинной оси волос и в экваториальной плоскости ( q _z и q _‖ – оси соответственно), что свидетельствует о высокой степени молекулярного порядка в прядях волос.Некоторые особенности были общими для всех образцов и относились к определенным молекулярным компонентам, как объясняется в следующем разделе.

Назначение общих сигналов рассеяния

Фаза белка спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в коре головного мозга организуются в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого рисунка являются ∼9.5 Å (соответствует q _‖ ∼ 0,6 Å ^-1 ) экваториальное отражение, соответствующее расстоянию между соседними спиральными катушками, и меридиональное отражение ∼5,0 Å (соответствует q _z ∼ 1,25 Å ⁻¹ ), что соответствует сверхспиральной структуре α -спиралей, закручивающихся друг вокруг друга внутри спиральных витков (Crick, 1952; Cohen & Parry, 1994; Lupas & Gruber, 2005). Как показано на рисунке, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики относятся к типичным структурам α -спиральных клубков мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикуле .

Основным компонентом коры головного мозга является кератиновая фаза белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой , слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в кортексе и комплексом клеточных мембран. Назначение сигналов и соответствующие шкалы длины показаны на рисунке.

Липиды в комплексе клеточных мембран

Комплекс клеточных мембран в основном состоит из моно- и бислоев липидов. Соответствующие особенности рассеяния соответствуют пластинчатой ​​периодичности около 45 Å и кольцам на расстоянии около 4.3 Å, характерная для порядка внутри слоев (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Обе эти особенности наблюдаются в двумерных рентгеновских данных всех людей в, как интенсивность кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкое кольцевидное рассеяние при ∼ 1,5 Å ^-1 в результате упорядочения липидов в слоях мембраны. Соответствующий дифракционный сигнал имеет максимум на оси q _z , что указывает на преимущественную ориентацию плоскости мембраны, параллельной поверхности волос.

Промежуточные нити в коре головного мозга

Кератиновые спирали организуются в промежуточные нити, структура и упаковка которых в плоскости волоса приводят к дополнительным сигналам рассеяния. Упаковка этих фибрилл путем связывания в макрофибриллы характеризуется дифракционной картиной рентгеновских лучей тремя экваториальными пятнами, расположенными примерно на 90, 45 и 27 Å (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Соответствующие сигналы наблюдаются в двумерных данных в. Однако точное положение элементов лучше всего определить в экспериментах по малоугловой дифракции (SAXS), которые предлагают значительно улучшенное разрешение и будут показаны ниже.Мы отмечаем, что аксиальная упаковка спиральных спиралей внутри кератиновых волокон в волосах приводит к появлению ряда тонких дуг вдоль меридиана ( z ). Обычно наблюдаемый сигнал на меридиане при 67 Å, ​​который возникает из-за смещения осей между молекулами вдоль микрофибриллы (Briki et al., 2000; Rafik, Doucet & Briki, 2004), не мог наблюдаться в наших экспериментах из-за релаксации. разрешение параллельного луча в этом направлении. Хотя особенности, наблюдаемые в экспериментах по рассеянию, хорошо известны, молекулярная архитектура промежуточных волокон все еще обсуждается (Rafik, Doucet & Briki, 2004).Обсуждаются суперспиральные катушки или модели с прямыми димерами с разным количеством катушек.

Три указанные выше особенности наблюдались у всех особей в. Основные молекулярные структуры будут количественно проанализированы в следующем разделе (Количественный анализ результатов рассеяния). Мы отмечаем, что в некоторых измерениях видны дополнительные особенности, в основном в широком кольце мембраны на уровне около 1,5 Å ^-1 , что указывает на различие в молекулярном составе комплекса клеточных мембран между людьми.Мы вернемся к этим различиям в Обсуждении.

Количественный анализ результатов рассеяния

Чтобы количественно определить положение соответствующих элементов рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокон и вдоль волокон волос ( q _z -ось). Полученные графики показаны на. В направлении вдоль оси волосяного волокна ( q _z ) есть два основных пика, которые были одинаковыми для всех испытуемых, один узкий пик около 5.0 Å и один более широкий пик около 4,3 Å.

Интегрирование данных двумерного рассеяния в экваториальной плоскости ( q _‖ ) (A) и вдоль оси волосков ( q _z ) (C) соответственно для всех предметы. Два сигнала, присутствующие у всех людей в экваториальной плоскости ( q _‖ ), соответствуют расстоянию между двумя спиральными спиралями 9,5 Å и между двумя липидными хвостами в коре клеточной мембраны 4,3 Å. Общий меридиональный сигнал вдоль длинной оси волос ( q _z ) при 5 Å соответствует α -спиралям, скручивающимся друг вокруг друга в спиральных спиралях.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q _‖ ), есть также два основных пика, согласованных между всеми испытуемыми, один узкий пик около 9,5 Å и один широкий пик около 4,3 Å. Полный профиль рассеяния хорошо описывался двумя профилями лоренцевых пиков (и фоном), положения которых показаны на рис. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å отлично согласуются с сигналами, полученными от кератиновых белков спиральной спирали (Pauling & Corey, 1950), как показано на рисунке.Широкий сигнал около 4,3 Å, присутствующий в обоих направлениях, обусловлен кольцевым рассеянием липидов в компоненте мембраны. Как показано на графике, имеется узкое распределение соответствующих масштабов длины со стандартными отклонениями 9,51 ± 0,07 Å и 5,00 ± 0,02 Å для кератиновых спиралей и 4,28 ± 0,08 Å для мембранного сигнала, что указывает на общие черты, наблюдаемые в все особи хорошо определены с небольшим разбросом по соответствующим молекулярным размерам.

Из-за больших масштабов длины сигналы от промежуточных волокон возникают при малых векторах рассеяния, показанных на.Профиль малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) хорошо соответствовал трем гауссовым пикам при 90, 45 Å и 27. Отметим, что третий пик наблюдался не во всех образцах волос. Соответствующие положения и распределения пиков показаны на рисунке. О пике 90 Å уже сообщалось в литературе как о расстоянии между промежуточными филаментами в человеческих волосах. Как далее разработали Рафик, Дусет и Брики (2004), эти пики соответствуют радиальным структурам промежуточных нитей и могут быть хорошо смоделированы, если предположить, что параллельные тетрамеры образованы двумя спиральными катушками с небольшим беспорядком в положениях и ориентациях, так как изображен на рисунке.Также здесь стандартные отклонения 90 ± 2 Å, 47 ± 2 Å, 27 ± 1 Å, как показано на рисунке, малы, что указывает на то, что организация промежуточных нитей на наномасштабе очень мало различается у разных людей.

Дифракционные особенности при малых углах рассеяния.

Малый диапазон q _‖ показан с увеличением на (A). Образцы большинства людей показали 3 отчетливых отражения при ∼90 Å, 46,5 Å и 27 Å, связанных со свойствами промежуточных кератиновых волокон (B).

Обсуждение

Все волосы, использованные в этом исследовании, были в естественном состоянии, собраны у здоровых людей и не подвергались химической обработке до экспериментов. Однако все люди регулярно использовали шампуни для очистки и дополнительные продукты, такие как кондиционеры, воск и гель. Эти продукты действуют в основном на поверхности волокна или рядом с ней, например, для удаления грязи с поверхности волос и, по-видимому, не влияют на внутреннюю структуру кератина, как будет обсуждаться ниже.

Об аномальном сигнале ранее сообщали James et al. (1999) в образцах волос пациентов с раком груди. Такой подход весьма интересен, поскольку сканирование образцов волос может использоваться как простой, недорогой и неинвазивный метод скрининга при диагностике рака. Джеймс и др. (1999) наблюдали кольцевой сигнал при 44,4 Å в положении сигнала ламеллярной плазматической мембраны и приписали этот сигнал наличию рака груди. Позднее Брики и др. Поставили под сомнение анализ и назначение.(1999) и Howell et al. (2000), которые наблюдали эту особенность в равной мере у здоровых и онкологических больных. Кольцевой сигнал 45 Å также присутствует в данных для всех людей, включенных в наше исследование, так что связь с раком груди, скорее всего, может быть исключена.

Общие структурные особенности по результатам рентгеновских экспериментов

На основе двумерных рентгеновских данных в и и анализа в и мы идентифицируем три особенности, присутствующие у всех людей. Эти сигналы связаны со спиралевидным расположением кератиновых белков в коре головного мозга , образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидами в комплексе клеточных мембран волос.Статистический анализ соответствующих молекулярных размеров выявил довольно небольшое распределение между разными людьми. Эти общие свойства человеческих волос наблюдаются во всех волосах, независимо от пола, цвета или внешнего вида волос (как указано в) в пределах количества людей, включенных в это исследование.

Различия в рентгеновских данных между людьми наблюдались в широкоугольной области (WAXS) двумерных данных, что связано со свойствами компонента мембраны.показывает сравнение между людьми 3 и 4, чтобы проиллюстрировать эффект. Для упрощения сравнения исходные данные были разрезаны пополам и рекомбинированы, так что левая половина изображает индивидуум 3, а правая половина – индивидуум 4. В то время как сигналы от фазы белка спиральной спирали, диффузная кольцевая интенсивность от липидов в комплексе клеточной мембраны и у обоих индивидуумов наблюдаются сигналы под малым углом из-за образования промежуточных филаментов, у Субъекта 3 возникают дополнительные сигналы вокруг положения мембранного кольца.Практически идентичные модели наблюдаются в и, в то время как различия видны в; это будет подробно рассмотрено ниже.

Сравнение образцов волос.

(A) показывает сравнение между индивидуумами 3 и 4. В то время как оба образца демонстрируют общие черты, наблюдаются различия в области сигнала от комплекса клеточных мембран. (B) Сравнение между людьми 1 и 2, отцом и дочерью. Данные в (C) (люди 9 и 12) получены от однояйцевых близнецов. Данные в (D) были взяты от разнояйцевых близнецов (люди 10 и 11).В то время как разные люди в целом демонстрируют разные структуры мембран (A), особенности на (B) и (C) полностью совпадают. Разнояйцевые близнецы демонстрируют небольшие различия в характере их поведения на (D).

Дополнительные сигналы, наблюдаемые между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , могут быть отнесены к жирным кислотам, расположенным внутри плазматической мембраны комплекса клеточных мембран. Положение этих липидов внутри волос определяли с помощью синхротронной инфракрасной микроскопии (Kreplak et al., 2001a), обнаруживая соответствующие полосы CH ₂ и CH ₃ . Липидный компонент комплекса клеточной мембраны состоит из трех основных классов липидов: глицеролипидов (в основном фосфолипидов), стеринов и сфинголипидов (Furt, Simon-Plas & Mongrand, 2011). Наиболее распространенные виды липидов относятся к структурным липидам, до 80% которых составляют фосфолипиды фосфохолина (PC) и фосфоэтаноламина (PE).

Положение и ширина широкой кольцевой интенсивности, наблюдаемой во всех образцах, хорошо согласуются с пиками липидной корреляции, полученными для одно- и многокомпонентных фосфолипидных жидких липидных мембран (Kučerka et al., 2005; Petrache et al., 1998; Куч, Тристрам-Нэгл и Нэгл, 2006; Rheinstädter et al., 2004; Райнштедтер, Зейдел и Салдитт, 2007 г .; Rheinstädter et al., 2008; Пан и др., 2008; Schneggenburger et al., 2011; Harroun et al., 1999) и дифракции, наблюдаемой в плазматических мембранах (Welti et al., 1981; Poinapen et al., 2013). Широкий пик корреляции является контрольным признаком жидкообразной неупорядоченной мембранной структуры. Это связано с упаковкой липидных хвостов в ядре гидрофобной мембраны, где липидные ацильные цепи образуют плотно упакованную структуру с гексагональной симметрией (плоская группа p6) (Armstrong et al., 2013). Расстояние между двумя ацильными хвостами определено как aT = 4π / 3qT (Mills et al., 2008; Barrett et al., 2012; Barrett et al., 2013), где q _T – положение пик мембранной корреляции. Среднее расстояние ближайших соседей между двумя липидными хвостами рассчитывается от положения пика до 4,97 Å. Отметим, что интенсивность неупорядоченного компонента мембраны не распределена изотропно по окружности, что свидетельствовало бы о неориентированной, изотропной фазе мембраны.Соответствующий сигнал рассеяния имеет максимум по оси q _z , что указывает на то, что большинство мембран ориентировано параллельно поверхности волос.

Дополнительные узкие компоненты между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , которые наблюдаются в некоторых образцах волос, согласуются со структурными особенностями, описанными в липидных мембранах различного состава. Пик корреляции при ∼1,5 Å ^-1 был обнаружен в гелевой фазе насыщенных фосфолипидных мембран, таких как DMPC (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) и DPPC (дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) ( Тристрам-Нэгл и др., 2002; Кацарас и др., 1995; Rheinstädter et al., 2004). Сообщалось, что ненасыщенные липиды упорядочиваются в структуре с немного большими расстояниями между хвостами ближайших соседей, что приводит к пику корреляции ацильной цепи при ∼1,3 Å ^-1 , как сообщалось для DOPC и POPC (Mills et al., 2009), для экземпляр. Сообщалось, что липиды, такие как димиристоилфосфатидилэтаноламин (DMPE) и заряженный DMPS (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфосерин) с меньшими головными группами, упорядочиваются в более плотно упакованные структуры (Rappolt & Rapp, 1996).Соответствующие пики корреляции ацильной цепи наблюдались при значениях Q ∼ 1,65 Å ^-1 . Таким образом, наблюдаемые различия в дифрактограммах рентгеновских лучей у разных людей могут быть связаны с различиями в молекулярном составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Важную роль в этом составе играет генетика.

Генетическое сходство

Некоторые субъекты имеют генетические отношения в рамках пула субъектов.В частности, субъекты 1 и 2 – дочь и отец, субъекты 10 и 11 – разнояйцевые близнецы, а субъекты 9 и 12 – однояйцевые близнецы. Соответствующие дифракционные данные показаны на, и. Хотя в целом было обнаружено, что дифракционные картины в мембранной области различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов демонстрируют идентичные картины в пределах разрешающей способности нашего эксперимента.

Интересно отметить, что различия наблюдаются для разнояйцевых близнецов в.Этот вывод согласуется с ожиданием, что люди со схожей генетикой будут иметь схожие физические черты, такие как структура волос. Идентичные или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития, и у них 100% общего генетического материала. Братские или дизиготные близнецы развиваются в результате оплодотворения двух разных яйцеклеток, и в среднем они разделяют только 50% своей ДНК (Nussbaum et al., 2007).

Как и ожидалось, идентичная пара близнецов показывает почти идентичную структуру волос, тогда как братская пара демонстрирует явные различия.Потомство получает половину своих хромосом от каждого родителя, поэтому генетическое сходство между родительской и дочерней парой примерно такое же, как у разнояйцевых близнецов (Creasy et al., 2013). Поэтому удивительно, что пара отца и дочери имеет значительно больше общего, чем пара разнояйцевых близнецов. Это можно объяснить тем фактом, что выражение сложного признака, такого как структура волос, будет зависеть от паттерна наследования многих генов, определяющих фенотип, например, от того, являются ли они доминантными или рецессивными признаками.Генетическое сходство не гарантирует идентичную структуру волос, и, аналогично, генетическая изменчивость не гарантирует различий. Хотя мы можем сообщить об этом открытии, небольшое количество связанных образцов исключает более подробный и количественный анализ этого эффекта в настоящее время.

Сравнение отца и дочери также позволяет изучить влияние средств по уходу за волосами, таких как шампунь и кондиционер, на молекулярную структуру волос. В то время как Субъект 2 (отец) использует мыло и гель для душа, чтобы очистить кожу головы и волосы, Субъект 1 (дочь) регулярно пользуется шампунем и кондиционером.Идентичные рентгеновские сигналы указывают на то, что эти продукты не влияют на молекулярную структуру кератина и мембран глубоко внутри волос (в пределах разрешающей способности нашего эксперимента).

Отметим, что для максимизации рассеянных сигналов вся прядь волос была освещена в наших экспериментах с использованием относительно большого пучка рентгеновских лучей. Микропучковая дифракция рентгеновских лучей на синхротронных источниках, в которой используются пучки малого размера микрометра (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006), дает высокое пространственное разрешение. Освещая отдельные части волос, появление наблюдаемых нами сигналов может быть определено в зависимости от их местоположения в волосах в будущих экспериментах.

Выводы

Мы изучили молекулярную структуру волос нескольких людей с помощью дифракции рентгеновских лучей. Образцы волос были взяты у 12 здоровых людей с различными характеристиками, такими как пол, внешний вид и генетическое родство.В эксперименте наблюдались сигналы, соответствующие фазе спиральной спирали молекул кератина, образованию промежуточных филаментов в коре головного мозга и от молекул липидов в комплексе клеточных мембран. Соответствующие сигналы наблюдались у всех людей, независимо от пола или внешнего вида волос, таких как цвет или волнистость, в пределах разрешающей способности этого эксперимента. Учитывая небольшое стандартное отклонение молекулярных размеров этих общих характеристик, аномалии, возможно, связанные с определенными заболеваниями, должны быть легко обнаружены.

Хотя все образцы волос демонстрировали эти общие черты, между людьми наблюдались различия в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет важную роль в свойствах этих мембран, поскольку генетически похожие образцы волос от отца и дочери и однояйцевых близнецов показали идентичный рисунок, а волосы от разнояйцевых близнецов – нет.

Дополнительная информация

Дополнительная информация 1

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов:

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

Заявление о финансировании

Это исследование финансировалось Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Национальным исследовательским советом Канады (NRC), Канадским фондом инноваций (CFI) и Министерством экономического развития и инноваций Онтарио. . MCR является лауреатом премии «Ранние исследователи» провинции Онтарио.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Дополнительная информация и заявления

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

Фей-Чи Ян, Ючен Чжан и Майкель К. Райнштедтер разработали и спланировали эксперименты, выполнили эксперименты, проанализировали данные, предоставили реагенты / материалы / инструменты для анализа, написали документ, подготовили рисунки и / или таблицы , рассмотрел черновики статьи.

Human Ethics

Следующая информация была предоставлена ​​относительно этических разрешений (например, утверждающий орган и любые ссылочные номера):

Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.

Ссылки

Armstrong et al. (2013) Армстронг К.Л., Марквардт Д., Дис Х, Кучерка Н., Ямани З., Харроун Т.А., Катсарас Дж., Ши А.С., Райнштедтер М.С. Наблюдение высокоупорядоченных доменов в мембранах с холестерином. PLOS ONE. 2013; 8: e619.DOI: 10.1371 / journal.pone.0066162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Sisson (1935) Astbury WT, Sisson WA. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. III. Конфигурация молекулы кератина и ее ориентация в биологической клетке. Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 1935; 150: 533–551. DOI: 10.1098 / rspa.1935.0121. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Street (1932) Astbury WT, Street A.Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. I. Общие. Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1932; 230: 75–101. DOI: 10.1098 / RSTA.1932.0003. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Woods (1934) Astbury W.T., Woods HJ. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. II. Молекулярная структура и эластичные свойства кератина волос. Философские труды Лондонского королевского общества.Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1934; 232: 333–394. DOI: 10.1098 / rsta.1934.0010. [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2012) Барретт М.А., Чжэн С., Рошанкар Г., Олсоп Р.Дж., Белангер РКР, Хюнь С., Кучерка Н., Райнштедтер М.С. Взаимодействие аспирина (ацетилсалициловой кислоты) с липидными мембранами. PLoS ONE. 2012; 7: e619. DOI: 10.1371 / journal.pone.0034357. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2013) Барретт М.А., Чжэн С., Топпозини Л.А., Олсоп Р.Дж., Дис Х, Ван А., Яго Н., Мур М., Райнштедтер М.С.Растворимость холестерина в липидных мембранах и образование несмешивающихся холестериновых бляшек при высоких концентрациях холестерина. Мягкая материя. 2013; 9: 9342–9351. DOI: 10.1039 / c3sm50700a. [CrossRef] [Google Scholar] Берг, Розенберг и Эсбери (1972) Берг Б.О., Розенберг С.Х., Эсбери А.К. Гигантская аксональная нейропатия. Педиатрия. 1972: 49: 894–899. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (2000) Briki F, Busson B, Kreplak L, Dumas P, Doucet J. Исследование биологической ткани от атомного до макроскопического масштаба с использованием синхротронного излучения: пример волос.Клеточная и молекулярная биология. 2000; 46: 1005–1016. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (1999) Briki F, Busson B, Salicru B, Estève F, Doucet J. Диагностика рака груди с использованием волос. Природа. 1999; 400: 226–226. DOI: 10,1038 / 22244. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Busson, Engstrom & Doucet (1999) Busson B., Engstrom P, Doucet J. Существование различных структурных зон в кератиновых тканях, выявленных с помощью микродифракции рентгеновских лучей. Журнал синхротронного излучения. 1999; 6: 1021–1030. DOI: 10.1107 / S090937.[CrossRef] [Google Scholar] Cohen & Parry (1994) Cohen C, Parry DA. Альфа-спиральные спиральные катушки: больше фактов и более точные прогнозы. Наука. 1994; 263: 488–489. DOI: 10.1126 / science.82. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Creasy et al. (2013) Creasy RK, Resnik R, Iams JD, Lockwood CJ, Greene MF, редакторы. Медицина матери и плода Кризи и Резника: принципы и практика. У. Б. Сондерс; 2013. [Google Scholar] Crewther et al. (1983) Crewther WG, Dowling LM, Steinert PM, Parry DAD. Структура промежуточных волокон.Международный журнал биологических макромолекул. 1983; 5: 267–274. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (83)-5. [CrossRef] [Google Scholar] Крик (1952) Крик FHC. Является ли α -кератин спиральной катушкой? Природа. 1952; 170: 882–883. DOI: 10.1038 / 170882b0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Franbourg et al. (2003) Franbourg A, Hallegot P, Baltenneck F, Toutaina C, Leroy F. Текущие исследования этнических волос. Журнал Американской академии дерматологии. 2003; 48: S115 – S119. DOI: 10.1067 / mjd.2003.277. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др.(1986) Fraser RD, MacRae TP, Parry DA, Suzuki E. Промежуточные волокна в альфа-кератинах. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1986; 83: 1179–1183. DOI: 10.1073 / pnas.83.5.1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Fraser, MacRae & Rogers (1962) Fraser RD, MacRae TP, Rogers GE. Молекулярная организация в альфа-кератине. Природа. 1962; 193: 1052–1055. DOI: 10.1038 / 1931052a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др. (1988) Fraser RDB, MacRae TP, Sparrow LG, Parry DAD.Дисульфидная связь в α -кератине. Международный журнал биологических макромолекул. 1988. 10: 106–112. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (88)-7. [CrossRef] [Google Scholar] Фурт, Саймон-Плас и Монгранд (2011) Фурт Ф, Саймон-Плас Ф, Монгранд С. В: Плазматическая мембрана растений. Мерфи А.С., Шульц Б., Пер В., редакторы. т. 19. Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag; 2011. С. 57–85. (Монографии по растительной клетке). [CrossRef] [Google Scholar] Harroun et al. (1999) Харроун Т.А., Хеллер В.Т., Вайс Т.М., Ян Л., Хуанг Х.В.Экспериментальные доказательства гидрофобного соответствия и мембранно-опосредованных взаимодействий в липидных бислоях, содержащих грамицидин. Биофизический журнал. 1999; 76: 937–945. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (99) 77257-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Хауэлл и др. (2000) Хауэлл А., Гроссманн Дж. Г., Чунг К. С., Канби Л., Д. Гарет Р. Э., Хаснайн СС. Можно ли использовать волосы для скрининга рака груди? Журнал медицинской генетики. 2000. 37: 297–298. DOI: 10.1136 / jmg.37.4.297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Иида и Нома (1993) Иида А., Нома Т.Синхротронный рентгеновский мупрозонд и его применение для анализа волос человека. Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 1993. 82: 129–138. DOI: 10.1016 / 0168-583X (93) 95092-J. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс (2001) Джеймс В. Важность хороших изображений при использовании волос для выявления рака груди. Журнал медицинской генетики. 2001; 38: e619. DOI: 10.1136 / jmg.38.5.e16. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Вероника и Амемия (1998) Джеймс В.Дж., Амемия Ю.Промежуточная упаковка филаментов в α -кератин иглы ехидны. Текстильный исследовательский журнал. 1998. 68: 167–170. DOI: 10.1177 / 004051759806800303. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс и др. (1999) Джеймс В., Кирсли Дж., Ирвинг Т., Амемия Ю., Куксон Д. Использование волос для выявления рака груди. Природа. 1999; 398: 33–34. DOI: 10,1038 / 17949. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kajiura et al. (2006) Kajiura Y, Watanabe S, Itou T., Nakamura K, Iida A, Inoue K, Yagi N, Shinohara Y, Amemiya Y. Структурный анализ отдельных волокон человеческого волоса путем сканирования саксофонов с микропучками.Журнал структурной биологии. 2006. 155: 438–444. DOI: 10.1016 / j.jsb.2006.04.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Katsaras et al. (1995) Katsaras J, Raghunathan VA, Dufourc EJ, Dufourcq J. Доказательства двумерной молекулярной решетки в двухслойных dppc-слоях субгелевой фазы. Биохимия. 1995; 34: 4684–4688. DOI: 10.1021 / bi00014a023. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001a) Kreplak L, Briki F, Duvault Y, Doucet J, Merigoux C., Leroy F, Lévêque JL, Miller L, Carr GL, Williams GP, Dumas P.Профилирование липидов в поперечных срезах волос европеоидов и афроамериканцев с помощью синхротронной инфракрасной микроспектрометрии. Международный журнал косметической науки. 2001a; 23: 369–374. DOI: 10.1046 / j.0412-5463.2001.00118.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001b) Kreplak L, Mérigoux C, Briki F, Flot D, Doucet J. Исследование структуры кутикулы человеческого волоса с помощью микродифракции: прямое наблюдение за набуханием комплекса клеточных мембран. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Структура белка и молекулярная энзимология.2001b; 1547: 268–274. DOI: 10.1016 / S0167-4838 (01) 00195-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kučerka et al. (2005) Kučerka N, Liu Y, Chu N, Petrache HI, Tristram-Nagle S, Nagle JF. Структура полностью гидратированной жидкой фазы липидных бислоев DMPC и DLPC с использованием рассеяния рентгеновских лучей от ориентированных многослойных массивов и от однослойных везикул. Биофизический журнал. 2005; 88: 2626–2637. DOI: 10.1529 / biophysj.104.056606. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kuč, Tristram-Nagle & Nagle (2006) Kučerka N, Tristram-Nagle S, Nagle JF.Рассмотрим структуру полностью гидратированных бислоев жидкой фазы dppc. Биофизический журнал. 2006; 90: L83 – L85. DOI: 10.1529 / biophysj.106.086017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Лупас и Грубер (2005) Лупас А.Н., Грубер М. Структура α -спиральных спиральных катушек. Достижения в химии белков. 2005; 70: 37–38. [PubMed] [Google Scholar] Мерсер (1953) Мерсер Э. Х. Неоднородность кератиновых волокон. Текстильный исследовательский журнал. 1953; 23: 388–397. DOI: 10.1177 / 004051755302300603.[CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2009) Миллс Т.Т., Хуанг Дж., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Влияние холестерина и ненасыщенного липида dopc на упаковку цепи насыщенных двухслоев dppc гель-фазы. Общая физиология и биофизика. 2009. 28: 126–139. DOI: 10.4149 / gpb_2009_02_126. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2008) Миллс Т.Т., Тумбес Г.Е., Тристрам-Нэгл С., Смилджис Д.-М., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Параметры порядка и площади в жидкофазных липидных мембранах с использованием широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей.Биофизический журнал. 2008. 95: 669–681. DOI: 10.1529 / biophysj.107.127845. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Nussbaum et al. (2007) Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р., Уиллард Х.Ф., Хамош А. Принципы молекулярного заболевания: уроки гемоглобинопатий. Генетика Томпсона и Томпсона в медицине. 2007; т. 6: 181–202. [Google Scholar] Охта и др. (2005) Охта Н., Ока Т., Иноуэ К., Яги Н., Като С., Хатта И. Структурный анализ комплекса клеточных мембран волосяного волокна с помощью дифракции рентгеновских лучей микролучей.Журнал прикладной кристаллографии. 2005. 38: 274–279. DOI: 10.1107 / S002188980403403X. [CrossRef] [Google Scholar] Пан и др. (2008) Пэн Дж., Миллс ТТ, Тристрам-Нэгл С., Нэгл Дж. Ф. Холестерин не универсально возмущает липидные бислои. Письма с физическим обзором. 2008; 100: 198103. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.100.198103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1950) Полинг Л., Кори РБ. Две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями. Журнал Американского химического общества.1950; 72: 5349–5349. DOI: 10.1021 / ja01167a545. [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1951) Полинг Л., Кори РБ. Структура волос, мышц и связанных с ними белков. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1951; 37: 261–271. DOI: 10.1073 / pnas.37.5.261. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Petrache et al. (1998) Petrache HI, Gouliaev N, Tristram-Nagle S, Zhang R, Suter RM, Nagle JF. Межслойные взаимодействия от рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения.Physical Review E. 1998; 57: 7014–7024. DOI: 10.1103 / PhysRevE.57.7014. [CrossRef] [Google Scholar] Пинто и др. (2014) Пинто Н., Ян Ф. К., Негиши А., Райнштедтер М.С., Гиллис Т.Э., Фадж Д.С. Самосборка увеличивает прочность волокон, сделанных из белков промежуточных филаментов виментина. Биомакромолекулы. 2014; 15: 574–581. DOI: 10.1021 / bm401600a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Poinapen et al. (2013) Poinapen D, Toppozini L, Dies H, Brown DCW, Rheinstädter MC. Статические магнитные поля улучшают порядок липидов в плазматической мембране нативных растений.Мягкая материя. 2013; 9: 6804–6813. DOI: 10.1039 / c3sm50355k. [CrossRef] [Google Scholar] Rafik, Doucet & Briki (2004) Rafik MEr, Doucet J, Briki F. Архитектура промежуточного волокна, определенная с помощью моделирования дифракции рентгеновских лучей твердого α -кератина. Биофизический журнал. 2004. 86: 3893–3904. DOI: 10.1529 / biophysj.103.034694. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Рандебрук (1964) Рандебрук Р.Дж. Neue erkenntnisse über den morphologischen aufbau des menschlichen haares. Журнал Общества химиков-косметологов.1964; 15: 691–706. [Google Scholar] Раппольт и Рапп (1996) Раппольт М., Рапп Г. Одновременная дифракция мало- и широкоугольного рентгеновского излучения во время основного перехода димиристоилфосфатидилэтаноламина. Berichte der Bunsengesellschaft и Physikalische Chemie. 1996; 7: 1153–1162. DOI: 10.1002 / bbpc.19961000710. [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2008) Rheinstädter MC, Das J, Flenner EJ, Brüning B, Seydel T, Kosztin I. Движущая когерентность в жидких фосфолипидных мембранах. Письма с физическим обзором.2008; 101: 248106. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.101.248106. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2004) Rheinstädter MC, Ollinger C, Fragneto G, Demmel F, Salditt T. Коллективная динамика липидных мембран изучается методом неупругого рассеяния нейтронов. Письма с физическим обзором. 2004; 93: 108107. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.93.108107. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter, Seydel & Salditt (2007) Rheinstädter MC, Seydel T, Salditt T. Наносекундные молекулярные релаксации в липидных бислоях изучаются с помощью рассеяния нейтронов с высоким энергетическим разрешением и дифракции на месте.Physical Review E. 2007; 75: 011907. DOI: 10.1103 / PhysRevE.75.011907. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Роббинс (2012) Роббинс CR. Химическое и физическое поведение человеческого волоса. 5-е изд. Нью-Йорк: Спрингер; 2012. [Google Scholar] Rogers (1959) Rogers GE. Электронная микроскопия шерсти. Журнал исследований ультраструктуры. 1959; 2: 309–330. DOI: 10.1016 / S0022-5320 (59) 80004-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Schneggenburger et al. (2011) Schneggenburger P, Beerlink A, Weinhausen B, Salditt T, Diederichsen U.Пептидные модельные спирали в липидных мембранах: вставка, позиционирование и липидный ответ на агрегацию, изученный с помощью рассеяния рентгеновских лучей. Европейский биофизический журнал. 2011; 40: 417–436. DOI: 10.1007 / s00249-010-0645-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Swift & Smith (2001) Swift JA, Smith JR. Микроскопические исследования эпикутикулы кератиновых волокон млекопитающих. Журнал микроскопии. 2001; 204: 203–211. DOI: 10.1046 / j.1365-2818.2001.00957.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Тристрам-Нэгл и др.(2002) Тристрам-Нэгл С., Лю Ю., Леглейтер Дж., Нэгл Дж. Ф. Структура dmpc гелевой фазы определена методом рентгеновской дифракции. Биофизический журнал. 2002; 83: 3324–3335. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (02) 75333-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ward & Lundgren (1954) Ward WH, Lundgren HP. Формирование, состав и свойства кератинов. Достижения в химии белков. 1954. 9: 243–297. [PubMed] [Google Scholar] Welti et al. (1981) Велти Р., Ринтул Д.А., Гудсайд-Залдуондо Ф., Фелдер С., Зильберт Д.Ф.Гелеобразный фосфолипид в плазматической мембране истощенных стеролом клеток lm мыши. Журнал биологической химии. 1981; 256: 7528–7535. [PubMed] [Google Scholar] Wilk, James & Amemiya (1995) Wilk KE, James VJ, Amemiya Y. Структура промежуточных волокон человеческого волоса. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – общие субъекты. 1995; 1245: 392–396. DOI: 10.1016 / 0304-4165 (95) 00111-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ян и др. (2014) Ян Ф.К., Петерс Р.Д., Дис Х., Райнштедтер М.С. Иерархическая, самоподобная структура в естественном загоне кальмаров.Мягкая материя. 2014; 10: 5541–5549. DOI: 10.1039 / C4SM00301B. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Структура волос людей

, , и

Фей-Чи Ян

Департамент физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Yuchen Zhang

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Майкель К. Райнштедтер

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Академический редактор: Микко Картт

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Автор, ответственный за переписку.

Поступило 7 августа 2014 г .; Принято. 22 сентября 2014 г..

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение, воспроизведение и адаптацию на любом носителе и для любых целей при условии правильной ссылки на нее. Для указания авторства необходимо процитировать первоначального автора (ов), заголовок, источник публикации (PeerJ) и либо DOI, либо URL-адрес статьи. Эта статья цитируется другими статьями в PMC.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация 1: Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

DOI: 10.7717 / peerj.619 / supp-1

Abstract

Волосы – это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой слабоупакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой головного мозга , которая содержит большую часть массы волокон, в основном состоящих из белков кератина и структурных липиды.Кора головного мозга окружена кутикулой , слоем мертвых перекрывающихся клеток, образующих защитный слой вокруг волос. Соответствующие структуры широко изучались с использованием множества различных методов, таких как световой, электронный и атомно-силовой микроскопы, а также дифракция рентгеновских лучей. Нас интересовал вопрос, насколько молекулярная структура волос отличается от человека к человеку, между мужскими и женскими волосами, волосами разного внешнего вида, такими как цвет и волнистость.Мы включили в исследование волосы родителей и детей, однояйцевых и разнояйцевых близнецов, чтобы увидеть, будут ли генетически похожие волосы иметь сходные структурные особенности.

Молекулярная структура образцов волос была изучена с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения, которая охватывает масштабы длины от молекул до организации вторичных структур. Сигналы из-за фазы спиральной спирали α -спиральных кератиновых белков, промежуточных кератиновых филаментов в коре головного мозга и от липидных слоев в комплексе клеточных мембран наблюдались в образцах всех индивидуумов с очень небольшими отклонениями.Несмотря на относительно небольшое количество людей (12), включенных в это исследование, некоторые выводы можно сделать. Хотя общие черты наблюдались у всех индивидуумов, а соответствующие молекулярные структуры были почти идентичными, в некоторых образцах наблюдались дополнительные сигналы, которые относились к разным типам липидов в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет роль в этой композиции, поскольку идентичные образцы наблюдались в волосах отца и дочери и однояйцевых близнецов, но не у разнояйцевых близнецов.Идентификация и характеристика этих особенностей является важным шагом на пути к обнаружению аномалий в молекулярной структуре волос в качестве потенциального диагностического инструмента для определенных заболеваний.

Ключевые слова: Человеческий волос, молекулярная структура, дифракция рентгеновских лучей, кератин, промежуточная нить, спиральные белки, альфа-спираль, комплекс клеточных мембран

Введение

Волосы на голове человека – это биосинтезированный материал, который имеет сложная внутренняя структура.Волосы взрослого человека составляют около 20–180 мкм в ширину и обычно вырастают примерно до 90 см в длину. Он состоит из множества слоев, включая кутикулу , кору и мозговое вещество . Эти слои связаны вместе комплексом клеточных мембран (Robbins, 2012).

Структура человеческого волоса хорошо известна, и, в частности, дифракция рентгеновских лучей выявила детали молекулярной структуры и организации внутри волос (Fraser et al., 1986; Briki et al., 2000; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Randebrook , 1964; Fraser, MacRae & Rogers, 1962; Kreplak et al., 2001b; Вилк, Джеймс и Амемия, 1995; Полинг и Кори, 1951; Охта и др., 2005; Эстбери и Стрит, 1932; Эстбери и Вудс, 1934; Астбери и Сиссон, 1935; Franbourg et al., 2003; Рафик, Дусет и Брики, 2004; Джеймс и др., 1999; Вероника и Амемия, 1998; Брики и др., 1999; Джеймс, 2001). В частности, методы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволяют определять структуру волос с высоким пространственным разрешением (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006). Это давний вопрос, могут ли изменения молекулярной структуры ногтей или волос быть связаны с определенными заболеваниями и потенциально использоваться в качестве диагностического инструмента. Такой метод, в частности, был бы интересен и актуален как простой неинвазивный метод скрининга рака (James et al., 1999; Briki et al., 1999; James, 2001). Аномальные курчавые волосы, например, характерны для гигантской аксональной нейропатии (Berg, Rosenberg & Asbury, 1972).

Целью данного исследования является использование дифракции рентгеновских лучей для анализа структуры волос на черепе человека у людей с различными характеристиками. 12 человек в этом исследовании включают волосы мужчин и женщин, а также волосы разного цвета и внешнего вида, такие как прямые, волнистые и вьющиеся. Помимо внешнего вида, исследование также включает волосы отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов, чтобы выявить генетическое сходство. Все волосы были собраны у здоровых людей, и перед экспериментами позаботились о том, чтобы волосы не подвергались химической химической завивке или окрашиванию.

Сигналы из-за организации спиральной спирали α -спиральных белков кератина и промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидов в комплексе клеточных мембран наблюдались в волосах всех индивидуумов. Хотя эти общие особенности проявляются независимо от пола или внешнего вида волос с очень небольшим стандартным отклонением основных молекулярных размеров, мы обнаруживаем значительные различия между людьми в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран.Генетика, по-видимому, является наиболее важным фактором, определяющим состав мембран, поскольку не наблюдались или наблюдались незначительные различия в генетически связанных образцах волос, а не во внешних факторах, таких как питание или средства по уходу за волосами.

Свойства человеческого волоса

Кутикула – это самый внешний слой, образованный плоскими перекрывающимися клетками в чешуевидном образовании (Robbins, 2012). Эти клетки имеют толщину примерно 0,5 мкм, длину 45–60 мкм и находятся с интервалами 6–7 мкм (Robbins, 2012).Самый внешний слой кутикулы , эпикутикула, представляет собой липопротеиновую мембрану, толщина которой оценивается в 10–14 нм (Swift & Smith, 2001). Под ним находится слой A с высоким содержанием цистеина и толщиной от 50 до 100 нм, экзокутикула с высоким содержанием цистеина и сильно изменяющейся толщиной в диапазоне от 50 до 300 нм и эндокутикула с низким содержанием цистеина. и толщиной также от 50 до 300 нм.

Большая часть волосяного волокна – это кора, которая содержит клетки в форме веретена, расположенные параллельно оси волокна.Было установлено, что эти корковые клетки имеют диаметр примерно 1–6 мкм и длину 50–100 мкм (Randebrook, 1964). В шерстяных волокнах, а также в человеческих волосах было замечено, что корковые клетки разделены на различные области, называемые ортокортексом, паракортикальным слоем и мезокортексом (Mercer, 1953). Различие в распределении этих типов клеток является важным фактором для определения кривизны волосяного волокна (Kajiura et al., 2006). В частности, прямые волосы имеют тенденцию иметь симметричное распределение орто- и паракортексов, тогда как вьющиеся волосы имеют тенденцию иметь несимметричное распределение этих кортикальных клеток (Kajiura et al., 2006). Большинство корковых клеток состоит из белка, известного как кератин (Роббинс, 2012).

На молекулярном уровне кератин представляет собой спиральный белок (Pauling & Corey, 1950). В волосах есть два типа кератиновых волокон: тип I с кислотными аминокислотными остатками и тип II с основными аминокислотными остатками. Одна нить волокна типа I и одна нить волокна типа II скручиваются вместе, образуя димеры типа coiled-coil. В свою очередь, эти димеры скручиваются антипараллельно с образованием тетрамеров (Crewther et al., 1983; Fraser et al., 1988).

Когда тетрамеры соединяются от головы к хвосту, они известны как протофиламенты (Robbins, 2012). Полагают, что эти тетрамеры или протофиламенты взаимодействуют друг с другом, образуя единую промежуточную нить диаметром примерно 75–90 Å. Текущая модель промежуточного филамента была предложена в 1980-х годах и включает 7 протофиламентов, окружающих протофиламент с одним ядром (Robbins, 2012; Fraser et al., 1988). Промежуточные волокна затем объединяются вместе с образованием макроволокон диаметром от 1000 до 4000 Å (Robbins, 2012; Randebrook, 1964).Между промежуточными филаментами находится матрица, состоящая из белков, связанных с кератином, которые имеют неправильную структуру. Макрофибриллы, состоящие из промежуточных нитей и окружающей матрицы, являются основными единицами кортикальной клетки.

Комплекс клеточных мембран – это материал, который склеивает волосковые клетки. Существуют различные типы комплексов клеточных мембран: кутикула – кутикула , кутикула – кора и кора – котекс в зависимости от местоположения (Robbins, 2012).Общая структура мембраны представляет собой один 15-нм белковый дельта-слой, зажатый двумя 5-нм липидными бета-слоями (Rogers, 1959). Все еще существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было определено, что 18-метилэйкозановая кислота, ковалентно связанная жирная кислота, существует в верхнем бета-слое в кутикуле-кутикуле , но не в мембранах коры-коры (Ward & Lundgren, 1954). Фактически, большинство жирных кислот в бета-слоях мембран в кутикуле-кутикуле связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры коры нековалентно связаны (Robbins, 2012).Дальнейшие данные подтверждают, что жирные кислоты в мембранах кутикула-кутикула организованы в виде монослоя, тогда как жирные кислоты в мембранах клеток коры-коры являются двухслойными (Robbins, 2012). Комплекс кутикула – кора клеточной мембраны представляет собой смесь двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , аналогична мембранам кутикула – кутикула , а сторона, обращенная к коре, аналогична мембранам кора – кора (Robbins, 2012). .

Материалы и методы

Подготовка образцов волос

Это исследование было одобрено Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.Письменное согласие было получено от всех участников. Образцы волос на голове были собраны у 12 взрослых людей разного возраста, пола, национальности, цвета и формы волос. Интересно отметить, что есть 3 пары участников исследования с генетическим родством, включая отца и дочь, разнояйцевых близнецов и однояйцевых близнецов. Характеристики образцов приведены в.

Таблица 1

Список всех образцов волос в этом исследовании.

Эти лица включают мужчин и женщин с волосами разного внешнего вида, например, толщины, цвета и волнистости, а также генетически родственные образцы волос от отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов.Маркировка соответствует данным, приведенным в.

90 F

Тема	Пол	Диаметр (мкм) ± SD	Цвет	Внешний вид	Особый комментарий
1	F	30 ± 3	светло-русый	светлый блондин		дочь
2	M	49 ± 5	коричневый / серый	фигурный	отец
3	F	74 ± 7	черный	волнистый	–
4	M	50 ± 5	светло-коричневый	кудрявый	–
5	F	49 ± 5	блондин	кудрявый	–	1 –	1
6	43 ± 4	светло-коричневый	прямой	–
7	F	61 ± 6	светло-коричневый	волнистый	–
8	F	49 ± 5	черный	волнистый	–
9	F	31 ± 3	светлый	волнистый	волнистый 900	идентичный сдвоенный
10	F	66 ± 7	черный	прямой	братский сдвоенный
11	F	69 ± 7	черный	прямой	раздельный сдвоенный
12	F	48 ± 5	блондин	завитый	идентичный близнец

Собранные образцы волос разрезали на пряди длиной около 3 см.При этом соблюдали осторожность, чтобы не растягивать и не деформировать пряди волос. Для каждого испытуемого около 10 прядей были приклеены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора – это место, где на образце волос происходит рассеяние. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, используемый для закрепления прядей в эксперименте.

Картонный прибор устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки.

Эксперимент по дифракции рентгеновских лучей

Данные дифракции рентгеновских лучей были получены с использованием эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) в лаборатории мембранной и белковой динамики в Университете Макмастера. В BLADE используется вращающийся анод CuK α Rigaku Smartlab мощностью 9 кВт (45 кВ, 200 мА) на длине волны 1.5418 Å. Фокусирующая многослойная оптика обеспечивала параллельный пучок высокой интенсивности с интенсивностью монохроматического рентгеновского излучения до 10 ¹⁰ отсчетов / (с × мм ² ) в месте расположения образца. Чтобы максимизировать интенсивность рассеивания, пряди волос были выровнены параллельно параллельному лучу для максимального освещения. Прорези были установлены таким образом, чтобы около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двумерных данных: хотя он обеспечивает высокое разрешение вдоль экватора, главный луч значительно размывается в направлении q _z до q _z – значения около 0.5 Å ^-1 , ограничивая максимальную наблюдаемую шкалу длин примерно до 13 Å.

Двумерные рентгеновские данные всех 12 пациентов.

Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Показанный диапазон ( q _∥ , q _z ) был определен в предварительных экспериментах, чтобы охватить особенности, наблюдаемые при дифракции рентгеновских лучей. Измерения охватывают шкалу длины от 3 до 90 Å для изучения характеристик спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых филаментов в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на 2D-графиках, заметны тонкие различия, которые подробно обсуждаются в тексте.

Интенсивность дифрагированного излучения регистрировалась точечным детектором. Щели и коллиматоры устанавливались между рентгеновской оптикой и образцом, а также между образцом и детектором соответственно. Путем совмещения прядей волос на рентгеновском дифрактометре можно определить молекулярную структуру вдоль направления волокон и перпендикулярно волокнам. Мы будем называть эти компоненты полного вектора рассеяния Q → как q _z и q _‖ , соответственно, в дальнейшем.На рисунке показаны ориентации q _z и q _‖ . Результатом рентгеновского эксперимента является двухмерная карта интенсивности большой области обратного пространства -2,5 Å ^-1 < q _z <2,5 Å ^-1 и -2,5 Å ⁻¹ < q _‖ <2,5 Å ⁻¹ . Соответствующие масштабы длины в реальном пространстве определяются как d = 2 π / | Q | и охватывают масштабы длины от примерно 3 до 90 Å, включая типичные молекулярные размеры и расстояния для вторичных белковых и липидных структур.

Схема рентгеновской установки и пример рентгеновских данных.

Пряди волос ориентировали на рентгеновском дифрактометре длинной осью вдоль q _z . Двумерные рентгеновские данные были измерены для каждого образца, охватывающего расстояния примерно от 3 до 90 Å, включая сигналы от фазы спиральной спирали , α -кератина, промежуточных фибрилл в кортексе и от комплекса клеточных мембран. Двумерные данные были объединены и преобразованы в линейное сканирование и пригодны для количественного анализа.

Интеграция двумерных данных выполнялась с использованием Matlab, MathWorks. Путем сложения пиковых интенсивностей по направлениям q _z и q _‖ были получены одномерные данные по каждому из двух направлений. Интенсивность q _z была интегрирована азимутально для угла 25 градусов по меридиану. Интенсивность q _‖ была интегрирована азимутально для угла 25 градусов над экватором, как показано на.

Процесс подбора выполняется как для одномерных данных q _z , так и для данных q _‖ , полученных в результате интегрирования. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания вида ( a ⋅ q ^b + c ) в первом прогоне. Начальные параметры были выбраны на основе наблюдаемых положений, ширины и высоты пиков и свободного перемещения по всему диапазону q .Критерий для окончательных параметров состоял в том, чтобы минимизировать средний квадрат разницы между интенсивностью данных и подобранной интенсивностью. Если подобранная интенсивность не может соответствовать форме интенсивности данных, в следующих прогонах будут добавлены дополнительные пики, пока не будет получено хорошее соответствие. Этот процесс был повторен для всех 12 субъектов и проводился без консультации с предыдущими настройками, чтобы минимизировать систематическую ошибку.

Что касается данных SAXS, то вместо них используются функции Гаусса. Следует отметить, что использование оптических компонентов на пути луча влияет на форму наблюдаемых пиков Брэгга: вместо функций пиков Лоренца или Бесселя было обнаружено, что профили пиков Гаусса лучше всего описывают пики МУРР.Процесс подгонки был таким же, как упоминалось ранее: три гауссианы были подогнаны к данным МУРР с использованием параметров свободного движения и экспоненциального фона затухания. Однако для некоторых испытуемых третий пик был зашумленным, и наименьший среднеквадратичный логарифм не мог достичь хорошего соответствия, и, следовательно, данные были подогнаны только с двумя гауссианами.

Результаты

Всего в исследовании приняли участие 12 взрослых субъектов. Подробная информация о поле и внешнем виде прядей указана в. Около 10 прядей были вырезаны из кожи головы, приклеены к держателю образца и выровнены на рентгеновском дифрактометре.Полученные в результате двухмерные карты интенсивности рентгеновского излучения обратного пространства раскрывают изысканные детали молекулярной структуры волос на черепе человека, как показано на рис. Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Отображаемый диапазон ( q _z , q _‖ ) был определен таким образом, чтобы охватить масштабы длины интересующих элементов в предварительных экспериментах.

Данные показывают отчетливое неизотропное распределение дифрагированной интенсивности с ярко выраженными и четко определенными интенсивностями вдоль длинной оси волос и в экваториальной плоскости ( q _z и q _‖ – оси соответственно), что свидетельствует о высокой степени молекулярного порядка в прядях волос.Некоторые особенности были общими для всех образцов и относились к определенным молекулярным компонентам, как объясняется в следующем разделе.

Назначение общих сигналов рассеяния

Фаза белка спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в коре головного мозга организуются в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого рисунка являются ∼9.5 Å (соответствует q _‖ ∼ 0,6 Å ^-1 ) экваториальное отражение, соответствующее расстоянию между соседними спиральными катушками, и меридиональное отражение ∼5,0 Å (соответствует q _z ∼ 1,25 Å ⁻¹ ), что соответствует сверхспиральной структуре α -спиралей, закручивающихся друг вокруг друга внутри спиральных витков (Crick, 1952; Cohen & Parry, 1994; Lupas & Gruber, 2005). Как показано на рисунке, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики относятся к типичным структурам α -спиральных клубков мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикуле .

Основным компонентом коры головного мозга является кератиновая фаза белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой , слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в кортексе и комплексом клеточных мембран. Назначение сигналов и соответствующие шкалы длины показаны на рисунке.

Липиды в комплексе клеточных мембран

Комплекс клеточных мембран в основном состоит из моно- и бислоев липидов. Соответствующие особенности рассеяния соответствуют пластинчатой ​​периодичности около 45 Å и кольцам на расстоянии около 4.3 Å, характерная для порядка внутри слоев (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Обе эти особенности наблюдаются в двумерных рентгеновских данных всех людей в, как интенсивность кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкое кольцевидное рассеяние при ∼ 1,5 Å ^-1 в результате упорядочения липидов в слоях мембраны. Соответствующий дифракционный сигнал имеет максимум на оси q _z , что указывает на преимущественную ориентацию плоскости мембраны, параллельной поверхности волос.

Промежуточные нити в коре головного мозга

Кератиновые спирали организуются в промежуточные нити, структура и упаковка которых в плоскости волоса приводят к дополнительным сигналам рассеяния. Упаковка этих фибрилл путем связывания в макрофибриллы характеризуется дифракционной картиной рентгеновских лучей тремя экваториальными пятнами, расположенными примерно на 90, 45 и 27 Å (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Соответствующие сигналы наблюдаются в двумерных данных в. Однако точное положение элементов лучше всего определить в экспериментах по малоугловой дифракции (SAXS), которые предлагают значительно улучшенное разрешение и будут показаны ниже.Мы отмечаем, что аксиальная упаковка спиральных спиралей внутри кератиновых волокон в волосах приводит к появлению ряда тонких дуг вдоль меридиана ( z ). Обычно наблюдаемый сигнал на меридиане при 67 Å, ​​который возникает из-за смещения осей между молекулами вдоль микрофибриллы (Briki et al., 2000; Rafik, Doucet & Briki, 2004), не мог наблюдаться в наших экспериментах из-за релаксации. разрешение параллельного луча в этом направлении. Хотя особенности, наблюдаемые в экспериментах по рассеянию, хорошо известны, молекулярная архитектура промежуточных волокон все еще обсуждается (Rafik, Doucet & Briki, 2004).Обсуждаются суперспиральные катушки или модели с прямыми димерами с разным количеством катушек.

Три указанные выше особенности наблюдались у всех особей в. Основные молекулярные структуры будут количественно проанализированы в следующем разделе (Количественный анализ результатов рассеяния). Мы отмечаем, что в некоторых измерениях видны дополнительные особенности, в основном в широком кольце мембраны на уровне около 1,5 Å ^-1 , что указывает на различие в молекулярном составе комплекса клеточных мембран между людьми.Мы вернемся к этим различиям в Обсуждении.

Количественный анализ результатов рассеяния

Чтобы количественно определить положение соответствующих элементов рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокон и вдоль волокон волос ( q _z -ось). Полученные графики показаны на. В направлении вдоль оси волосяного волокна ( q _z ) есть два основных пика, которые были одинаковыми для всех испытуемых, один узкий пик около 5.0 Å и один более широкий пик около 4,3 Å.

Интегрирование данных двумерного рассеяния в экваториальной плоскости ( q _‖ ) (A) и вдоль оси волосков ( q _z ) (C) соответственно для всех предметы. Два сигнала, присутствующие у всех людей в экваториальной плоскости ( q _‖ ), соответствуют расстоянию между двумя спиральными спиралями 9,5 Å и между двумя липидными хвостами в коре клеточной мембраны 4,3 Å. Общий меридиональный сигнал вдоль длинной оси волос ( q _z ) при 5 Å соответствует α -спиралям, скручивающимся друг вокруг друга в спиральных спиралях.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q _‖ ), есть также два основных пика, согласованных между всеми испытуемыми, один узкий пик около 9,5 Å и один широкий пик около 4,3 Å. Полный профиль рассеяния хорошо описывался двумя профилями лоренцевых пиков (и фоном), положения которых показаны на рис. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å отлично согласуются с сигналами, полученными от кератиновых белков спиральной спирали (Pauling & Corey, 1950), как показано на рисунке.Широкий сигнал около 4,3 Å, присутствующий в обоих направлениях, обусловлен кольцевым рассеянием липидов в компоненте мембраны. Как показано на графике, имеется узкое распределение соответствующих масштабов длины со стандартными отклонениями 9,51 ± 0,07 Å и 5,00 ± 0,02 Å для кератиновых спиралей и 4,28 ± 0,08 Å для мембранного сигнала, что указывает на общие черты, наблюдаемые в все особи хорошо определены с небольшим разбросом по соответствующим молекулярным размерам.

Из-за больших масштабов длины сигналы от промежуточных волокон возникают при малых векторах рассеяния, показанных на.Профиль малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) хорошо соответствовал трем гауссовым пикам при 90, 45 Å и 27. Отметим, что третий пик наблюдался не во всех образцах волос. Соответствующие положения и распределения пиков показаны на рисунке. О пике 90 Å уже сообщалось в литературе как о расстоянии между промежуточными филаментами в человеческих волосах. Как далее разработали Рафик, Дусет и Брики (2004), эти пики соответствуют радиальным структурам промежуточных нитей и могут быть хорошо смоделированы, если предположить, что параллельные тетрамеры образованы двумя спиральными катушками с небольшим беспорядком в положениях и ориентациях, так как изображен на рисунке.Также здесь стандартные отклонения 90 ± 2 Å, 47 ± 2 Å, 27 ± 1 Å, как показано на рисунке, малы, что указывает на то, что организация промежуточных нитей на наномасштабе очень мало различается у разных людей.

Дифракционные особенности при малых углах рассеяния.

Малый диапазон q _‖ показан с увеличением на (A). Образцы большинства людей показали 3 отчетливых отражения при ∼90 Å, 46,5 Å и 27 Å, связанных со свойствами промежуточных кератиновых волокон (B).

Обсуждение

Все волосы, использованные в этом исследовании, были в естественном состоянии, собраны у здоровых людей и не подвергались химической обработке до экспериментов. Однако все люди регулярно использовали шампуни для очистки и дополнительные продукты, такие как кондиционеры, воск и гель. Эти продукты действуют в основном на поверхности волокна или рядом с ней, например, для удаления грязи с поверхности волос и, по-видимому, не влияют на внутреннюю структуру кератина, как будет обсуждаться ниже.

Об аномальном сигнале ранее сообщали James et al. (1999) в образцах волос пациентов с раком груди. Такой подход весьма интересен, поскольку сканирование образцов волос может использоваться как простой, недорогой и неинвазивный метод скрининга при диагностике рака. Джеймс и др. (1999) наблюдали кольцевой сигнал при 44,4 Å в положении сигнала ламеллярной плазматической мембраны и приписали этот сигнал наличию рака груди. Позднее Брики и др. Поставили под сомнение анализ и назначение.(1999) и Howell et al. (2000), которые наблюдали эту особенность в равной мере у здоровых и онкологических больных. Кольцевой сигнал 45 Å также присутствует в данных для всех людей, включенных в наше исследование, так что связь с раком груди, скорее всего, может быть исключена.

Общие структурные особенности по результатам рентгеновских экспериментов

На основе двумерных рентгеновских данных в и и анализа в и мы идентифицируем три особенности, присутствующие у всех людей. Эти сигналы связаны со спиралевидным расположением кератиновых белков в коре головного мозга , образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидами в комплексе клеточных мембран волос.Статистический анализ соответствующих молекулярных размеров выявил довольно небольшое распределение между разными людьми. Эти общие свойства человеческих волос наблюдаются во всех волосах, независимо от пола, цвета или внешнего вида волос (как указано в) в пределах количества людей, включенных в это исследование.

Различия в рентгеновских данных между людьми наблюдались в широкоугольной области (WAXS) двумерных данных, что связано со свойствами компонента мембраны.показывает сравнение между людьми 3 и 4, чтобы проиллюстрировать эффект. Для упрощения сравнения исходные данные были разрезаны пополам и рекомбинированы, так что левая половина изображает индивидуум 3, а правая половина – индивидуум 4. В то время как сигналы от фазы белка спиральной спирали, диффузная кольцевая интенсивность от липидов в комплексе клеточной мембраны и у обоих индивидуумов наблюдаются сигналы под малым углом из-за образования промежуточных филаментов, у Субъекта 3 возникают дополнительные сигналы вокруг положения мембранного кольца.Практически идентичные модели наблюдаются в и, в то время как различия видны в; это будет подробно рассмотрено ниже.

Сравнение образцов волос.

(A) показывает сравнение между индивидуумами 3 и 4. В то время как оба образца демонстрируют общие черты, наблюдаются различия в области сигнала от комплекса клеточных мембран. (B) Сравнение между людьми 1 и 2, отцом и дочерью. Данные в (C) (люди 9 и 12) получены от однояйцевых близнецов. Данные в (D) были взяты от разнояйцевых близнецов (люди 10 и 11).В то время как разные люди в целом демонстрируют разные структуры мембран (A), особенности на (B) и (C) полностью совпадают. Разнояйцевые близнецы демонстрируют небольшие различия в характере их поведения на (D).

Дополнительные сигналы, наблюдаемые между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , могут быть отнесены к жирным кислотам, расположенным внутри плазматической мембраны комплекса клеточных мембран. Положение этих липидов внутри волос определяли с помощью синхротронной инфракрасной микроскопии (Kreplak et al., 2001a), обнаруживая соответствующие полосы CH ₂ и CH ₃ . Липидный компонент комплекса клеточной мембраны состоит из трех основных классов липидов: глицеролипидов (в основном фосфолипидов), стеринов и сфинголипидов (Furt, Simon-Plas & Mongrand, 2011). Наиболее распространенные виды липидов относятся к структурным липидам, до 80% которых составляют фосфолипиды фосфохолина (PC) и фосфоэтаноламина (PE).

Положение и ширина широкой кольцевой интенсивности, наблюдаемой во всех образцах, хорошо согласуются с пиками липидной корреляции, полученными для одно- и многокомпонентных фосфолипидных жидких липидных мембран (Kučerka et al., 2005; Petrache et al., 1998; Куч, Тристрам-Нэгл и Нэгл, 2006; Rheinstädter et al., 2004; Райнштедтер, Зейдел и Салдитт, 2007 г .; Rheinstädter et al., 2008; Пан и др., 2008; Schneggenburger et al., 2011; Harroun et al., 1999) и дифракции, наблюдаемой в плазматических мембранах (Welti et al., 1981; Poinapen et al., 2013). Широкий пик корреляции является контрольным признаком жидкообразной неупорядоченной мембранной структуры. Это связано с упаковкой липидных хвостов в ядре гидрофобной мембраны, где липидные ацильные цепи образуют плотно упакованную структуру с гексагональной симметрией (плоская группа p6) (Armstrong et al., 2013). Расстояние между двумя ацильными хвостами определено как aT = 4π / 3qT (Mills et al., 2008; Barrett et al., 2012; Barrett et al., 2013), где q _T – положение пик мембранной корреляции. Среднее расстояние ближайших соседей между двумя липидными хвостами рассчитывается от положения пика до 4,97 Å. Отметим, что интенсивность неупорядоченного компонента мембраны не распределена изотропно по окружности, что свидетельствовало бы о неориентированной, изотропной фазе мембраны.Соответствующий сигнал рассеяния имеет максимум по оси q _z , что указывает на то, что большинство мембран ориентировано параллельно поверхности волос.

Дополнительные узкие компоненты между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , которые наблюдаются в некоторых образцах волос, согласуются со структурными особенностями, описанными в липидных мембранах различного состава. Пик корреляции при ∼1,5 Å ^-1 был обнаружен в гелевой фазе насыщенных фосфолипидных мембран, таких как DMPC (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) и DPPC (дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) ( Тристрам-Нэгл и др., 2002; Кацарас и др., 1995; Rheinstädter et al., 2004). Сообщалось, что ненасыщенные липиды упорядочиваются в структуре с немного большими расстояниями между хвостами ближайших соседей, что приводит к пику корреляции ацильной цепи при ∼1,3 Å ^-1 , как сообщалось для DOPC и POPC (Mills et al., 2009), для экземпляр. Сообщалось, что липиды, такие как димиристоилфосфатидилэтаноламин (DMPE) и заряженный DMPS (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфосерин) с меньшими головными группами, упорядочиваются в более плотно упакованные структуры (Rappolt & Rapp, 1996).Соответствующие пики корреляции ацильной цепи наблюдались при значениях Q ∼ 1,65 Å ^-1 . Таким образом, наблюдаемые различия в дифрактограммах рентгеновских лучей у разных людей могут быть связаны с различиями в молекулярном составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Важную роль в этом составе играет генетика.

Генетическое сходство

Некоторые субъекты имеют генетические отношения в рамках пула субъектов.В частности, субъекты 1 и 2 – дочь и отец, субъекты 10 и 11 – разнояйцевые близнецы, а субъекты 9 и 12 – однояйцевые близнецы. Соответствующие дифракционные данные показаны на, и. Хотя в целом было обнаружено, что дифракционные картины в мембранной области различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов демонстрируют идентичные картины в пределах разрешающей способности нашего эксперимента.

Интересно отметить, что различия наблюдаются для разнояйцевых близнецов в.Этот вывод согласуется с ожиданием, что люди со схожей генетикой будут иметь схожие физические черты, такие как структура волос. Идентичные или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития, и у них 100% общего генетического материала. Братские или дизиготные близнецы развиваются в результате оплодотворения двух разных яйцеклеток, и в среднем они разделяют только 50% своей ДНК (Nussbaum et al., 2007).

Как и ожидалось, идентичная пара близнецов показывает почти идентичную структуру волос, тогда как братская пара демонстрирует явные различия.Потомство получает половину своих хромосом от каждого родителя, поэтому генетическое сходство между родительской и дочерней парой примерно такое же, как у разнояйцевых близнецов (Creasy et al., 2013). Поэтому удивительно, что пара отца и дочери имеет значительно больше общего, чем пара разнояйцевых близнецов. Это можно объяснить тем фактом, что выражение сложного признака, такого как структура волос, будет зависеть от паттерна наследования многих генов, определяющих фенотип, например, от того, являются ли они доминантными или рецессивными признаками.Генетическое сходство не гарантирует идентичную структуру волос, и, аналогично, генетическая изменчивость не гарантирует различий. Хотя мы можем сообщить об этом открытии, небольшое количество связанных образцов исключает более подробный и количественный анализ этого эффекта в настоящее время.

Сравнение отца и дочери также позволяет изучить влияние средств по уходу за волосами, таких как шампунь и кондиционер, на молекулярную структуру волос. В то время как Субъект 2 (отец) использует мыло и гель для душа, чтобы очистить кожу головы и волосы, Субъект 1 (дочь) регулярно пользуется шампунем и кондиционером.Идентичные рентгеновские сигналы указывают на то, что эти продукты не влияют на молекулярную структуру кератина и мембран глубоко внутри волос (в пределах разрешающей способности нашего эксперимента).

Отметим, что для максимизации рассеянных сигналов вся прядь волос была освещена в наших экспериментах с использованием относительно большого пучка рентгеновских лучей. Микропучковая дифракция рентгеновских лучей на синхротронных источниках, в которой используются пучки малого размера микрометра (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006), дает высокое пространственное разрешение. Освещая отдельные части волос, появление наблюдаемых нами сигналов может быть определено в зависимости от их местоположения в волосах в будущих экспериментах.

Выводы

Мы изучили молекулярную структуру волос нескольких людей с помощью дифракции рентгеновских лучей. Образцы волос были взяты у 12 здоровых людей с различными характеристиками, такими как пол, внешний вид и генетическое родство.В эксперименте наблюдались сигналы, соответствующие фазе спиральной спирали молекул кератина, образованию промежуточных филаментов в коре головного мозга и от молекул липидов в комплексе клеточных мембран. Соответствующие сигналы наблюдались у всех людей, независимо от пола или внешнего вида волос, таких как цвет или волнистость, в пределах разрешающей способности этого эксперимента. Учитывая небольшое стандартное отклонение молекулярных размеров этих общих характеристик, аномалии, возможно, связанные с определенными заболеваниями, должны быть легко обнаружены.

Хотя все образцы волос демонстрировали эти общие черты, между людьми наблюдались различия в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет важную роль в свойствах этих мембран, поскольку генетически похожие образцы волос от отца и дочери и однояйцевых близнецов показали идентичный рисунок, а волосы от разнояйцевых близнецов – нет.

Дополнительная информация

Дополнительная информация 1

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов:

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

Заявление о финансировании

Это исследование финансировалось Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Национальным исследовательским советом Канады (NRC), Канадским фондом инноваций (CFI) и Министерством экономического развития и инноваций Онтарио. . MCR является лауреатом премии «Ранние исследователи» провинции Онтарио.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Дополнительная информация и заявления

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

Фей-Чи Ян, Ючен Чжан и Майкель К. Райнштедтер разработали и спланировали эксперименты, выполнили эксперименты, проанализировали данные, предоставили реагенты / материалы / инструменты для анализа, написали документ, подготовили рисунки и / или таблицы , рассмотрел черновики статьи.

Human Ethics

Следующая информация была предоставлена ​​относительно этических разрешений (например, утверждающий орган и любые ссылочные номера):

Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.

Ссылки

Armstrong et al. (2013) Армстронг К.Л., Марквардт Д., Дис Х, Кучерка Н., Ямани З., Харроун Т.А., Катсарас Дж., Ши А.С., Райнштедтер М.С. Наблюдение высокоупорядоченных доменов в мембранах с холестерином. PLOS ONE. 2013; 8: e619.DOI: 10.1371 / journal.pone.0066162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Sisson (1935) Astbury WT, Sisson WA. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. III. Конфигурация молекулы кератина и ее ориентация в биологической клетке. Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 1935; 150: 533–551. DOI: 10.1098 / rspa.1935.0121. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Street (1932) Astbury WT, Street A.Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. I. Общие. Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1932; 230: 75–101. DOI: 10.1098 / RSTA.1932.0003. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Woods (1934) Astbury W.T., Woods HJ. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. II. Молекулярная структура и эластичные свойства кератина волос. Философские труды Лондонского королевского общества.Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1934; 232: 333–394. DOI: 10.1098 / rsta.1934.0010. [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2012) Барретт М.А., Чжэн С., Рошанкар Г., Олсоп Р.Дж., Белангер РКР, Хюнь С., Кучерка Н., Райнштедтер М.С. Взаимодействие аспирина (ацетилсалициловой кислоты) с липидными мембранами. PLoS ONE. 2012; 7: e619. DOI: 10.1371 / journal.pone.0034357. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2013) Барретт М.А., Чжэн С., Топпозини Л.А., Олсоп Р.Дж., Дис Х, Ван А., Яго Н., Мур М., Райнштедтер М.С.Растворимость холестерина в липидных мембранах и образование несмешивающихся холестериновых бляшек при высоких концентрациях холестерина. Мягкая материя. 2013; 9: 9342–9351. DOI: 10.1039 / c3sm50700a. [CrossRef] [Google Scholar] Берг, Розенберг и Эсбери (1972) Берг Б.О., Розенберг С.Х., Эсбери А.К. Гигантская аксональная нейропатия. Педиатрия. 1972: 49: 894–899. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (2000) Briki F, Busson B, Kreplak L, Dumas P, Doucet J. Исследование биологической ткани от атомного до макроскопического масштаба с использованием синхротронного излучения: пример волос.Клеточная и молекулярная биология. 2000; 46: 1005–1016. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (1999) Briki F, Busson B, Salicru B, Estève F, Doucet J. Диагностика рака груди с использованием волос. Природа. 1999; 400: 226–226. DOI: 10,1038 / 22244. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Busson, Engstrom & Doucet (1999) Busson B., Engstrom P, Doucet J. Существование различных структурных зон в кератиновых тканях, выявленных с помощью микродифракции рентгеновских лучей. Журнал синхротронного излучения. 1999; 6: 1021–1030. DOI: 10.1107 / S090937.[CrossRef] [Google Scholar] Cohen & Parry (1994) Cohen C, Parry DA. Альфа-спиральные спиральные катушки: больше фактов и более точные прогнозы. Наука. 1994; 263: 488–489. DOI: 10.1126 / science.82. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Creasy et al. (2013) Creasy RK, Resnik R, Iams JD, Lockwood CJ, Greene MF, редакторы. Медицина матери и плода Кризи и Резника: принципы и практика. У. Б. Сондерс; 2013. [Google Scholar] Crewther et al. (1983) Crewther WG, Dowling LM, Steinert PM, Parry DAD. Структура промежуточных волокон.Международный журнал биологических макромолекул. 1983; 5: 267–274. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (83)-5. [CrossRef] [Google Scholar] Крик (1952) Крик FHC. Является ли α -кератин спиральной катушкой? Природа. 1952; 170: 882–883. DOI: 10.1038 / 170882b0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Franbourg et al. (2003) Franbourg A, Hallegot P, Baltenneck F, Toutaina C, Leroy F. Текущие исследования этнических волос. Журнал Американской академии дерматологии. 2003; 48: S115 – S119. DOI: 10.1067 / mjd.2003.277. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др.(1986) Fraser RD, MacRae TP, Parry DA, Suzuki E. Промежуточные волокна в альфа-кератинах. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1986; 83: 1179–1183. DOI: 10.1073 / pnas.83.5.1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Fraser, MacRae & Rogers (1962) Fraser RD, MacRae TP, Rogers GE. Молекулярная организация в альфа-кератине. Природа. 1962; 193: 1052–1055. DOI: 10.1038 / 1931052a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др. (1988) Fraser RDB, MacRae TP, Sparrow LG, Parry DAD.Дисульфидная связь в α -кератине. Международный журнал биологических макромолекул. 1988. 10: 106–112. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (88)-7. [CrossRef] [Google Scholar] Фурт, Саймон-Плас и Монгранд (2011) Фурт Ф, Саймон-Плас Ф, Монгранд С. В: Плазматическая мембрана растений. Мерфи А.С., Шульц Б., Пер В., редакторы. т. 19. Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag; 2011. С. 57–85. (Монографии по растительной клетке). [CrossRef] [Google Scholar] Harroun et al. (1999) Харроун Т.А., Хеллер В.Т., Вайс Т.М., Ян Л., Хуанг Х.В.Экспериментальные доказательства гидрофобного соответствия и мембранно-опосредованных взаимодействий в липидных бислоях, содержащих грамицидин. Биофизический журнал. 1999; 76: 937–945. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (99) 77257-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Хауэлл и др. (2000) Хауэлл А., Гроссманн Дж. Г., Чунг К. С., Канби Л., Д. Гарет Р. Э., Хаснайн СС. Можно ли использовать волосы для скрининга рака груди? Журнал медицинской генетики. 2000. 37: 297–298. DOI: 10.1136 / jmg.37.4.297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Иида и Нома (1993) Иида А., Нома Т.Синхротронный рентгеновский мупрозонд и его применение для анализа волос человека. Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 1993. 82: 129–138. DOI: 10.1016 / 0168-583X (93) 95092-J. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс (2001) Джеймс В. Важность хороших изображений при использовании волос для выявления рака груди. Журнал медицинской генетики. 2001; 38: e619. DOI: 10.1136 / jmg.38.5.e16. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Вероника и Амемия (1998) Джеймс В.Дж., Амемия Ю.Промежуточная упаковка филаментов в α -кератин иглы ехидны. Текстильный исследовательский журнал. 1998. 68: 167–170. DOI: 10.1177 / 004051759806800303. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс и др. (1999) Джеймс В., Кирсли Дж., Ирвинг Т., Амемия Ю., Куксон Д. Использование волос для выявления рака груди. Природа. 1999; 398: 33–34. DOI: 10,1038 / 17949. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kajiura et al. (2006) Kajiura Y, Watanabe S, Itou T., Nakamura K, Iida A, Inoue K, Yagi N, Shinohara Y, Amemiya Y. Структурный анализ отдельных волокон человеческого волоса путем сканирования саксофонов с микропучками.Журнал структурной биологии. 2006. 155: 438–444. DOI: 10.1016 / j.jsb.2006.04.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Katsaras et al. (1995) Katsaras J, Raghunathan VA, Dufourc EJ, Dufourcq J. Доказательства двумерной молекулярной решетки в двухслойных dppc-слоях субгелевой фазы. Биохимия. 1995; 34: 4684–4688. DOI: 10.1021 / bi00014a023. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001a) Kreplak L, Briki F, Duvault Y, Doucet J, Merigoux C., Leroy F, Lévêque JL, Miller L, Carr GL, Williams GP, Dumas P.Профилирование липидов в поперечных срезах волос европеоидов и афроамериканцев с помощью синхротронной инфракрасной микроспектрометрии. Международный журнал косметической науки. 2001a; 23: 369–374. DOI: 10.1046 / j.0412-5463.2001.00118.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001b) Kreplak L, Mérigoux C, Briki F, Flot D, Doucet J. Исследование структуры кутикулы человеческого волоса с помощью микродифракции: прямое наблюдение за набуханием комплекса клеточных мембран. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Структура белка и молекулярная энзимология.2001b; 1547: 268–274. DOI: 10.1016 / S0167-4838 (01) 00195-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kučerka et al. (2005) Kučerka N, Liu Y, Chu N, Petrache HI, Tristram-Nagle S, Nagle JF. Структура полностью гидратированной жидкой фазы липидных бислоев DMPC и DLPC с использованием рассеяния рентгеновских лучей от ориентированных многослойных массивов и от однослойных везикул. Биофизический журнал. 2005; 88: 2626–2637. DOI: 10.1529 / biophysj.104.056606. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kuč, Tristram-Nagle & Nagle (2006) Kučerka N, Tristram-Nagle S, Nagle JF.Рассмотрим структуру полностью гидратированных бислоев жидкой фазы dppc. Биофизический журнал. 2006; 90: L83 – L85. DOI: 10.1529 / biophysj.106.086017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Лупас и Грубер (2005) Лупас А.Н., Грубер М. Структура α -спиральных спиральных катушек. Достижения в химии белков. 2005; 70: 37–38. [PubMed] [Google Scholar] Мерсер (1953) Мерсер Э. Х. Неоднородность кератиновых волокон. Текстильный исследовательский журнал. 1953; 23: 388–397. DOI: 10.1177 / 004051755302300603.[CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2009) Миллс Т.Т., Хуанг Дж., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Влияние холестерина и ненасыщенного липида dopc на упаковку цепи насыщенных двухслоев dppc гель-фазы. Общая физиология и биофизика. 2009. 28: 126–139. DOI: 10.4149 / gpb_2009_02_126. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2008) Миллс Т.Т., Тумбес Г.Е., Тристрам-Нэгл С., Смилджис Д.-М., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Параметры порядка и площади в жидкофазных липидных мембранах с использованием широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей.Биофизический журнал. 2008. 95: 669–681. DOI: 10.1529 / biophysj.107.127845. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Nussbaum et al. (2007) Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р., Уиллард Х.Ф., Хамош А. Принципы молекулярного заболевания: уроки гемоглобинопатий. Генетика Томпсона и Томпсона в медицине. 2007; т. 6: 181–202. [Google Scholar] Охта и др. (2005) Охта Н., Ока Т., Иноуэ К., Яги Н., Като С., Хатта И. Структурный анализ комплекса клеточных мембран волосяного волокна с помощью дифракции рентгеновских лучей микролучей.Журнал прикладной кристаллографии. 2005. 38: 274–279. DOI: 10.1107 / S002188980403403X. [CrossRef] [Google Scholar] Пан и др. (2008) Пэн Дж., Миллс ТТ, Тристрам-Нэгл С., Нэгл Дж. Ф. Холестерин не универсально возмущает липидные бислои. Письма с физическим обзором. 2008; 100: 198103. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.100.198103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1950) Полинг Л., Кори РБ. Две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями. Журнал Американского химического общества.1950; 72: 5349–5349. DOI: 10.1021 / ja01167a545. [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1951) Полинг Л., Кори РБ. Структура волос, мышц и связанных с ними белков. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1951; 37: 261–271. DOI: 10.1073 / pnas.37.5.261. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Petrache et al. (1998) Petrache HI, Gouliaev N, Tristram-Nagle S, Zhang R, Suter RM, Nagle JF. Межслойные взаимодействия от рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения.Physical Review E. 1998; 57: 7014–7024. DOI: 10.1103 / PhysRevE.57.7014. [CrossRef] [Google Scholar] Пинто и др. (2014) Пинто Н., Ян Ф. К., Негиши А., Райнштедтер М.С., Гиллис Т.Э., Фадж Д.С. Самосборка увеличивает прочность волокон, сделанных из белков промежуточных филаментов виментина. Биомакромолекулы. 2014; 15: 574–581. DOI: 10.1021 / bm401600a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Poinapen et al. (2013) Poinapen D, Toppozini L, Dies H, Brown DCW, Rheinstädter MC. Статические магнитные поля улучшают порядок липидов в плазматической мембране нативных растений.Мягкая материя. 2013; 9: 6804–6813. DOI: 10.1039 / c3sm50355k. [CrossRef] [Google Scholar] Rafik, Doucet & Briki (2004) Rafik MEr, Doucet J, Briki F. Архитектура промежуточного волокна, определенная с помощью моделирования дифракции рентгеновских лучей твердого α -кератина. Биофизический журнал. 2004. 86: 3893–3904. DOI: 10.1529 / biophysj.103.034694. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Рандебрук (1964) Рандебрук Р.Дж. Neue erkenntnisse über den morphologischen aufbau des menschlichen haares. Журнал Общества химиков-косметологов.1964; 15: 691–706. [Google Scholar] Раппольт и Рапп (1996) Раппольт М., Рапп Г. Одновременная дифракция мало- и широкоугольного рентгеновского излучения во время основного перехода димиристоилфосфатидилэтаноламина. Berichte der Bunsengesellschaft и Physikalische Chemie. 1996; 7: 1153–1162. DOI: 10.1002 / bbpc.19961000710. [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2008) Rheinstädter MC, Das J, Flenner EJ, Brüning B, Seydel T, Kosztin I. Движущая когерентность в жидких фосфолипидных мембранах. Письма с физическим обзором.2008; 101: 248106. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.101.248106. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2004) Rheinstädter MC, Ollinger C, Fragneto G, Demmel F, Salditt T. Коллективная динамика липидных мембран изучается методом неупругого рассеяния нейтронов. Письма с физическим обзором. 2004; 93: 108107. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.93.108107. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter, Seydel & Salditt (2007) Rheinstädter MC, Seydel T, Salditt T. Наносекундные молекулярные релаксации в липидных бислоях изучаются с помощью рассеяния нейтронов с высоким энергетическим разрешением и дифракции на месте.Physical Review E. 2007; 75: 011907. DOI: 10.1103 / PhysRevE.75.011907. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Роббинс (2012) Роббинс CR. Химическое и физическое поведение человеческого волоса. 5-е изд. Нью-Йорк: Спрингер; 2012. [Google Scholar] Rogers (1959) Rogers GE. Электронная микроскопия шерсти. Журнал исследований ультраструктуры. 1959; 2: 309–330. DOI: 10.1016 / S0022-5320 (59) 80004-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Schneggenburger et al. (2011) Schneggenburger P, Beerlink A, Weinhausen B, Salditt T, Diederichsen U.Пептидные модельные спирали в липидных мембранах: вставка, позиционирование и липидный ответ на агрегацию, изученный с помощью рассеяния рентгеновских лучей. Европейский биофизический журнал. 2011; 40: 417–436. DOI: 10.1007 / s00249-010-0645-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Swift & Smith (2001) Swift JA, Smith JR. Микроскопические исследования эпикутикулы кератиновых волокон млекопитающих. Журнал микроскопии. 2001; 204: 203–211. DOI: 10.1046 / j.1365-2818.2001.00957.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Тристрам-Нэгл и др.(2002) Тристрам-Нэгл С., Лю Ю., Леглейтер Дж., Нэгл Дж. Ф. Структура dmpc гелевой фазы определена методом рентгеновской дифракции. Биофизический журнал. 2002; 83: 3324–3335. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (02) 75333-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ward & Lundgren (1954) Ward WH, Lundgren HP. Формирование, состав и свойства кератинов. Достижения в химии белков. 1954. 9: 243–297. [PubMed] [Google Scholar] Welti et al. (1981) Велти Р., Ринтул Д.А., Гудсайд-Залдуондо Ф., Фелдер С., Зильберт Д.Ф.Гелеобразный фосфолипид в плазматической мембране истощенных стеролом клеток lm мыши. Журнал биологической химии. 1981; 256: 7528–7535. [PubMed] [Google Scholar] Wilk, James & Amemiya (1995) Wilk KE, James VJ, Amemiya Y. Структура промежуточных волокон человеческого волоса. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – общие субъекты. 1995; 1245: 392–396. DOI: 10.1016 / 0304-4165 (95) 00111-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ян и др. (2014) Ян Ф.К., Петерс Р.Д., Дис Х., Райнштедтер М.С. Иерархическая, самоподобная структура в естественном загоне кальмаров.Мягкая материя. 2014; 10: 5541–5549. DOI: 10.1039 / C4SM00301B. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Структура волос людей

, , и

Фей-Чи Ян

Департамент физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Yuchen Zhang

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Майкель К. Райнштедтер

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Академический редактор: Микко Картт

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Автор, ответственный за переписку.

Поступило 7 августа 2014 г .; Принято. 22 сентября 2014 г..

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение, воспроизведение и адаптацию на любом носителе и для любых целей при условии правильной ссылки на нее. Для указания авторства необходимо процитировать первоначального автора (ов), заголовок, источник публикации (PeerJ) и либо DOI, либо URL-адрес статьи. Эта статья цитируется другими статьями в PMC.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация 1: Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

DOI: 10.7717 / peerj.619 / supp-1

Abstract

Волосы – это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой слабоупакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой головного мозга , которая содержит большую часть массы волокон, в основном состоящих из белков кератина и структурных липиды.Кора головного мозга окружена кутикулой , слоем мертвых перекрывающихся клеток, образующих защитный слой вокруг волос. Соответствующие структуры широко изучались с использованием множества различных методов, таких как световой, электронный и атомно-силовой микроскопы, а также дифракция рентгеновских лучей. Нас интересовал вопрос, насколько молекулярная структура волос отличается от человека к человеку, между мужскими и женскими волосами, волосами разного внешнего вида, такими как цвет и волнистость.Мы включили в исследование волосы родителей и детей, однояйцевых и разнояйцевых близнецов, чтобы увидеть, будут ли генетически похожие волосы иметь сходные структурные особенности.

Молекулярная структура образцов волос была изучена с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения, которая охватывает масштабы длины от молекул до организации вторичных структур. Сигналы из-за фазы спиральной спирали α -спиральных кератиновых белков, промежуточных кератиновых филаментов в коре головного мозга и от липидных слоев в комплексе клеточных мембран наблюдались в образцах всех индивидуумов с очень небольшими отклонениями.Несмотря на относительно небольшое количество людей (12), включенных в это исследование, некоторые выводы можно сделать. Хотя общие черты наблюдались у всех индивидуумов, а соответствующие молекулярные структуры были почти идентичными, в некоторых образцах наблюдались дополнительные сигналы, которые относились к разным типам липидов в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет роль в этой композиции, поскольку идентичные образцы наблюдались в волосах отца и дочери и однояйцевых близнецов, но не у разнояйцевых близнецов.Идентификация и характеристика этих особенностей является важным шагом на пути к обнаружению аномалий в молекулярной структуре волос в качестве потенциального диагностического инструмента для определенных заболеваний.

Ключевые слова: Человеческий волос, молекулярная структура, дифракция рентгеновских лучей, кератин, промежуточная нить, спиральные белки, альфа-спираль, комплекс клеточных мембран

Введение

Волосы на голове человека – это биосинтезированный материал, который имеет сложная внутренняя структура.Волосы взрослого человека составляют около 20–180 мкм в ширину и обычно вырастают примерно до 90 см в длину. Он состоит из множества слоев, включая кутикулу , кору и мозговое вещество . Эти слои связаны вместе комплексом клеточных мембран (Robbins, 2012).

Структура человеческого волоса хорошо известна, и, в частности, дифракция рентгеновских лучей выявила детали молекулярной структуры и организации внутри волос (Fraser et al., 1986; Briki et al., 2000; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Randebrook , 1964; Fraser, MacRae & Rogers, 1962; Kreplak et al., 2001b; Вилк, Джеймс и Амемия, 1995; Полинг и Кори, 1951; Охта и др., 2005; Эстбери и Стрит, 1932; Эстбери и Вудс, 1934; Астбери и Сиссон, 1935; Franbourg et al., 2003; Рафик, Дусет и Брики, 2004; Джеймс и др., 1999; Вероника и Амемия, 1998; Брики и др., 1999; Джеймс, 2001). В частности, методы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволяют определять структуру волос с высоким пространственным разрешением (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006). Это давний вопрос, могут ли изменения молекулярной структуры ногтей или волос быть связаны с определенными заболеваниями и потенциально использоваться в качестве диагностического инструмента. Такой метод, в частности, был бы интересен и актуален как простой неинвазивный метод скрининга рака (James et al., 1999; Briki et al., 1999; James, 2001). Аномальные курчавые волосы, например, характерны для гигантской аксональной нейропатии (Berg, Rosenberg & Asbury, 1972).

Целью данного исследования является использование дифракции рентгеновских лучей для анализа структуры волос на черепе человека у людей с различными характеристиками. 12 человек в этом исследовании включают волосы мужчин и женщин, а также волосы разного цвета и внешнего вида, такие как прямые, волнистые и вьющиеся. Помимо внешнего вида, исследование также включает волосы отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов, чтобы выявить генетическое сходство. Все волосы были собраны у здоровых людей, и перед экспериментами позаботились о том, чтобы волосы не подвергались химической химической завивке или окрашиванию.

Сигналы из-за организации спиральной спирали α -спиральных белков кератина и промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидов в комплексе клеточных мембран наблюдались в волосах всех индивидуумов. Хотя эти общие особенности проявляются независимо от пола или внешнего вида волос с очень небольшим стандартным отклонением основных молекулярных размеров, мы обнаруживаем значительные различия между людьми в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран.Генетика, по-видимому, является наиболее важным фактором, определяющим состав мембран, поскольку не наблюдались или наблюдались незначительные различия в генетически связанных образцах волос, а не во внешних факторах, таких как питание или средства по уходу за волосами.

Свойства человеческого волоса

Кутикула – это самый внешний слой, образованный плоскими перекрывающимися клетками в чешуевидном образовании (Robbins, 2012). Эти клетки имеют толщину примерно 0,5 мкм, длину 45–60 мкм и находятся с интервалами 6–7 мкм (Robbins, 2012).Самый внешний слой кутикулы , эпикутикула, представляет собой липопротеиновую мембрану, толщина которой оценивается в 10–14 нм (Swift & Smith, 2001). Под ним находится слой A с высоким содержанием цистеина и толщиной от 50 до 100 нм, экзокутикула с высоким содержанием цистеина и сильно изменяющейся толщиной в диапазоне от 50 до 300 нм и эндокутикула с низким содержанием цистеина. и толщиной также от 50 до 300 нм.

Большая часть волосяного волокна – это кора, которая содержит клетки в форме веретена, расположенные параллельно оси волокна.Было установлено, что эти корковые клетки имеют диаметр примерно 1–6 мкм и длину 50–100 мкм (Randebrook, 1964). В шерстяных волокнах, а также в человеческих волосах было замечено, что корковые клетки разделены на различные области, называемые ортокортексом, паракортикальным слоем и мезокортексом (Mercer, 1953). Различие в распределении этих типов клеток является важным фактором для определения кривизны волосяного волокна (Kajiura et al., 2006). В частности, прямые волосы имеют тенденцию иметь симметричное распределение орто- и паракортексов, тогда как вьющиеся волосы имеют тенденцию иметь несимметричное распределение этих кортикальных клеток (Kajiura et al., 2006). Большинство корковых клеток состоит из белка, известного как кератин (Роббинс, 2012).

На молекулярном уровне кератин представляет собой спиральный белок (Pauling & Corey, 1950). В волосах есть два типа кератиновых волокон: тип I с кислотными аминокислотными остатками и тип II с основными аминокислотными остатками. Одна нить волокна типа I и одна нить волокна типа II скручиваются вместе, образуя димеры типа coiled-coil. В свою очередь, эти димеры скручиваются антипараллельно с образованием тетрамеров (Crewther et al., 1983; Fraser et al., 1988).

Когда тетрамеры соединяются от головы к хвосту, они известны как протофиламенты (Robbins, 2012). Полагают, что эти тетрамеры или протофиламенты взаимодействуют друг с другом, образуя единую промежуточную нить диаметром примерно 75–90 Å. Текущая модель промежуточного филамента была предложена в 1980-х годах и включает 7 протофиламентов, окружающих протофиламент с одним ядром (Robbins, 2012; Fraser et al., 1988). Промежуточные волокна затем объединяются вместе с образованием макроволокон диаметром от 1000 до 4000 Å (Robbins, 2012; Randebrook, 1964).Между промежуточными филаментами находится матрица, состоящая из белков, связанных с кератином, которые имеют неправильную структуру. Макрофибриллы, состоящие из промежуточных нитей и окружающей матрицы, являются основными единицами кортикальной клетки.

Комплекс клеточных мембран – это материал, который склеивает волосковые клетки. Существуют различные типы комплексов клеточных мембран: кутикула – кутикула , кутикула – кора и кора – котекс в зависимости от местоположения (Robbins, 2012).Общая структура мембраны представляет собой один 15-нм белковый дельта-слой, зажатый двумя 5-нм липидными бета-слоями (Rogers, 1959). Все еще существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было определено, что 18-метилэйкозановая кислота, ковалентно связанная жирная кислота, существует в верхнем бета-слое в кутикуле-кутикуле , но не в мембранах коры-коры (Ward & Lundgren, 1954). Фактически, большинство жирных кислот в бета-слоях мембран в кутикуле-кутикуле связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры коры нековалентно связаны (Robbins, 2012).Дальнейшие данные подтверждают, что жирные кислоты в мембранах кутикула-кутикула организованы в виде монослоя, тогда как жирные кислоты в мембранах клеток коры-коры являются двухслойными (Robbins, 2012). Комплекс кутикула – кора клеточной мембраны представляет собой смесь двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , аналогична мембранам кутикула – кутикула , а сторона, обращенная к коре, аналогична мембранам кора – кора (Robbins, 2012). .

Материалы и методы

Подготовка образцов волос

Это исследование было одобрено Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.Письменное согласие было получено от всех участников. Образцы волос на голове были собраны у 12 взрослых людей разного возраста, пола, национальности, цвета и формы волос. Интересно отметить, что есть 3 пары участников исследования с генетическим родством, включая отца и дочь, разнояйцевых близнецов и однояйцевых близнецов. Характеристики образцов приведены в.

Таблица 1

Список всех образцов волос в этом исследовании.

Эти лица включают мужчин и женщин с волосами разного внешнего вида, например, толщины, цвета и волнистости, а также генетически родственные образцы волос от отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов.Маркировка соответствует данным, приведенным в.

90 F

Тема	Пол	Диаметр (мкм) ± SD	Цвет	Внешний вид	Особый комментарий
1	F	30 ± 3	светло-русый	светлый блондин		дочь
2	M	49 ± 5	коричневый / серый	фигурный	отец
3	F	74 ± 7	черный	волнистый	–
4	M	50 ± 5	светло-коричневый	кудрявый	–
5	F	49 ± 5	блондин	кудрявый	–	1 –	1
6	43 ± 4	светло-коричневый	прямой	–
7	F	61 ± 6	светло-коричневый	волнистый	–
8	F	49 ± 5	черный	волнистый	–
9	F	31 ± 3	светлый	волнистый	волнистый 900	идентичный сдвоенный
10	F	66 ± 7	черный	прямой	братский сдвоенный
11	F	69 ± 7	черный	прямой	раздельный сдвоенный
12	F	48 ± 5	блондин	завитый	идентичный близнец

Собранные образцы волос разрезали на пряди длиной около 3 см.При этом соблюдали осторожность, чтобы не растягивать и не деформировать пряди волос. Для каждого испытуемого около 10 прядей были приклеены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора – это место, где на образце волос происходит рассеяние. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, используемый для закрепления прядей в эксперименте.

Картонный прибор устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки.

Эксперимент по дифракции рентгеновских лучей

Данные дифракции рентгеновских лучей были получены с использованием эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) в лаборатории мембранной и белковой динамики в Университете Макмастера. В BLADE используется вращающийся анод CuK α Rigaku Smartlab мощностью 9 кВт (45 кВ, 200 мА) на длине волны 1.5418 Å. Фокусирующая многослойная оптика обеспечивала параллельный пучок высокой интенсивности с интенсивностью монохроматического рентгеновского излучения до 10 ¹⁰ отсчетов / (с × мм ² ) в месте расположения образца. Чтобы максимизировать интенсивность рассеивания, пряди волос были выровнены параллельно параллельному лучу для максимального освещения. Прорези были установлены таким образом, чтобы около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двумерных данных: хотя он обеспечивает высокое разрешение вдоль экватора, главный луч значительно размывается в направлении q _z до q _z – значения около 0.5 Å ^-1 , ограничивая максимальную наблюдаемую шкалу длин примерно до 13 Å.

Двумерные рентгеновские данные всех 12 пациентов.

Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Показанный диапазон ( q _∥ , q _z ) был определен в предварительных экспериментах, чтобы охватить особенности, наблюдаемые при дифракции рентгеновских лучей. Измерения охватывают шкалу длины от 3 до 90 Å для изучения характеристик спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых филаментов в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на 2D-графиках, заметны тонкие различия, которые подробно обсуждаются в тексте.

Интенсивность дифрагированного излучения регистрировалась точечным детектором. Щели и коллиматоры устанавливались между рентгеновской оптикой и образцом, а также между образцом и детектором соответственно. Путем совмещения прядей волос на рентгеновском дифрактометре можно определить молекулярную структуру вдоль направления волокон и перпендикулярно волокнам. Мы будем называть эти компоненты полного вектора рассеяния Q → как q _z и q _‖ , соответственно, в дальнейшем.На рисунке показаны ориентации q _z и q _‖ . Результатом рентгеновского эксперимента является двухмерная карта интенсивности большой области обратного пространства -2,5 Å ^-1 < q _z <2,5 Å ^-1 и -2,5 Å ⁻¹ < q _‖ <2,5 Å ⁻¹ . Соответствующие масштабы длины в реальном пространстве определяются как d = 2 π / | Q | и охватывают масштабы длины от примерно 3 до 90 Å, включая типичные молекулярные размеры и расстояния для вторичных белковых и липидных структур.

Схема рентгеновской установки и пример рентгеновских данных.

Пряди волос ориентировали на рентгеновском дифрактометре длинной осью вдоль q _z . Двумерные рентгеновские данные были измерены для каждого образца, охватывающего расстояния примерно от 3 до 90 Å, включая сигналы от фазы спиральной спирали , α -кератина, промежуточных фибрилл в кортексе и от комплекса клеточных мембран. Двумерные данные были объединены и преобразованы в линейное сканирование и пригодны для количественного анализа.

Интеграция двумерных данных выполнялась с использованием Matlab, MathWorks. Путем сложения пиковых интенсивностей по направлениям q _z и q _‖ были получены одномерные данные по каждому из двух направлений. Интенсивность q _z была интегрирована азимутально для угла 25 градусов по меридиану. Интенсивность q _‖ была интегрирована азимутально для угла 25 градусов над экватором, как показано на.

Процесс подбора выполняется как для одномерных данных q _z , так и для данных q _‖ , полученных в результате интегрирования. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания вида ( a ⋅ q ^b + c ) в первом прогоне. Начальные параметры были выбраны на основе наблюдаемых положений, ширины и высоты пиков и свободного перемещения по всему диапазону q .Критерий для окончательных параметров состоял в том, чтобы минимизировать средний квадрат разницы между интенсивностью данных и подобранной интенсивностью. Если подобранная интенсивность не может соответствовать форме интенсивности данных, в следующих прогонах будут добавлены дополнительные пики, пока не будет получено хорошее соответствие. Этот процесс был повторен для всех 12 субъектов и проводился без консультации с предыдущими настройками, чтобы минимизировать систематическую ошибку.

Что касается данных SAXS, то вместо них используются функции Гаусса. Следует отметить, что использование оптических компонентов на пути луча влияет на форму наблюдаемых пиков Брэгга: вместо функций пиков Лоренца или Бесселя было обнаружено, что профили пиков Гаусса лучше всего описывают пики МУРР.Процесс подгонки был таким же, как упоминалось ранее: три гауссианы были подогнаны к данным МУРР с использованием параметров свободного движения и экспоненциального фона затухания. Однако для некоторых испытуемых третий пик был зашумленным, и наименьший среднеквадратичный логарифм не мог достичь хорошего соответствия, и, следовательно, данные были подогнаны только с двумя гауссианами.

Результаты

Всего в исследовании приняли участие 12 взрослых субъектов. Подробная информация о поле и внешнем виде прядей указана в. Около 10 прядей были вырезаны из кожи головы, приклеены к держателю образца и выровнены на рентгеновском дифрактометре.Полученные в результате двухмерные карты интенсивности рентгеновского излучения обратного пространства раскрывают изысканные детали молекулярной структуры волос на черепе человека, как показано на рис. Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Отображаемый диапазон ( q _z , q _‖ ) был определен таким образом, чтобы охватить масштабы длины интересующих элементов в предварительных экспериментах.

Данные показывают отчетливое неизотропное распределение дифрагированной интенсивности с ярко выраженными и четко определенными интенсивностями вдоль длинной оси волос и в экваториальной плоскости ( q _z и q _‖ – оси соответственно), что свидетельствует о высокой степени молекулярного порядка в прядях волос.Некоторые особенности были общими для всех образцов и относились к определенным молекулярным компонентам, как объясняется в следующем разделе.

Назначение общих сигналов рассеяния

Фаза белка спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в коре головного мозга организуются в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого рисунка являются ∼9.5 Å (соответствует q _‖ ∼ 0,6 Å ^-1 ) экваториальное отражение, соответствующее расстоянию между соседними спиральными катушками, и меридиональное отражение ∼5,0 Å (соответствует q _z ∼ 1,25 Å ⁻¹ ), что соответствует сверхспиральной структуре α -спиралей, закручивающихся друг вокруг друга внутри спиральных витков (Crick, 1952; Cohen & Parry, 1994; Lupas & Gruber, 2005). Как показано на рисунке, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики относятся к типичным структурам α -спиральных клубков мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикуле .

Основным компонентом коры головного мозга является кератиновая фаза белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой , слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в кортексе и комплексом клеточных мембран. Назначение сигналов и соответствующие шкалы длины показаны на рисунке.

Липиды в комплексе клеточных мембран

Комплекс клеточных мембран в основном состоит из моно- и бислоев липидов. Соответствующие особенности рассеяния соответствуют пластинчатой ​​периодичности около 45 Å и кольцам на расстоянии около 4.3 Å, характерная для порядка внутри слоев (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Обе эти особенности наблюдаются в двумерных рентгеновских данных всех людей в, как интенсивность кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкое кольцевидное рассеяние при ∼ 1,5 Å ^-1 в результате упорядочения липидов в слоях мембраны. Соответствующий дифракционный сигнал имеет максимум на оси q _z , что указывает на преимущественную ориентацию плоскости мембраны, параллельной поверхности волос.

Промежуточные нити в коре головного мозга

Кератиновые спирали организуются в промежуточные нити, структура и упаковка которых в плоскости волоса приводят к дополнительным сигналам рассеяния. Упаковка этих фибрилл путем связывания в макрофибриллы характеризуется дифракционной картиной рентгеновских лучей тремя экваториальными пятнами, расположенными примерно на 90, 45 и 27 Å (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Соответствующие сигналы наблюдаются в двумерных данных в. Однако точное положение элементов лучше всего определить в экспериментах по малоугловой дифракции (SAXS), которые предлагают значительно улучшенное разрешение и будут показаны ниже.Мы отмечаем, что аксиальная упаковка спиральных спиралей внутри кератиновых волокон в волосах приводит к появлению ряда тонких дуг вдоль меридиана ( z ). Обычно наблюдаемый сигнал на меридиане при 67 Å, ​​который возникает из-за смещения осей между молекулами вдоль микрофибриллы (Briki et al., 2000; Rafik, Doucet & Briki, 2004), не мог наблюдаться в наших экспериментах из-за релаксации. разрешение параллельного луча в этом направлении. Хотя особенности, наблюдаемые в экспериментах по рассеянию, хорошо известны, молекулярная архитектура промежуточных волокон все еще обсуждается (Rafik, Doucet & Briki, 2004).Обсуждаются суперспиральные катушки или модели с прямыми димерами с разным количеством катушек.

Три указанные выше особенности наблюдались у всех особей в. Основные молекулярные структуры будут количественно проанализированы в следующем разделе (Количественный анализ результатов рассеяния). Мы отмечаем, что в некоторых измерениях видны дополнительные особенности, в основном в широком кольце мембраны на уровне около 1,5 Å ^-1 , что указывает на различие в молекулярном составе комплекса клеточных мембран между людьми.Мы вернемся к этим различиям в Обсуждении.

Количественный анализ результатов рассеяния

Чтобы количественно определить положение соответствующих элементов рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокон и вдоль волокон волос ( q _z -ось). Полученные графики показаны на. В направлении вдоль оси волосяного волокна ( q _z ) есть два основных пика, которые были одинаковыми для всех испытуемых, один узкий пик около 5.0 Å и один более широкий пик около 4,3 Å.

Интегрирование данных двумерного рассеяния в экваториальной плоскости ( q _‖ ) (A) и вдоль оси волосков ( q _z ) (C) соответственно для всех предметы. Два сигнала, присутствующие у всех людей в экваториальной плоскости ( q _‖ ), соответствуют расстоянию между двумя спиральными спиралями 9,5 Å и между двумя липидными хвостами в коре клеточной мембраны 4,3 Å. Общий меридиональный сигнал вдоль длинной оси волос ( q _z ) при 5 Å соответствует α -спиралям, скручивающимся друг вокруг друга в спиральных спиралях.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q _‖ ), есть также два основных пика, согласованных между всеми испытуемыми, один узкий пик около 9,5 Å и один широкий пик около 4,3 Å. Полный профиль рассеяния хорошо описывался двумя профилями лоренцевых пиков (и фоном), положения которых показаны на рис. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å отлично согласуются с сигналами, полученными от кератиновых белков спиральной спирали (Pauling & Corey, 1950), как показано на рисунке.Широкий сигнал около 4,3 Å, присутствующий в обоих направлениях, обусловлен кольцевым рассеянием липидов в компоненте мембраны. Как показано на графике, имеется узкое распределение соответствующих масштабов длины со стандартными отклонениями 9,51 ± 0,07 Å и 5,00 ± 0,02 Å для кератиновых спиралей и 4,28 ± 0,08 Å для мембранного сигнала, что указывает на общие черты, наблюдаемые в все особи хорошо определены с небольшим разбросом по соответствующим молекулярным размерам.

Из-за больших масштабов длины сигналы от промежуточных волокон возникают при малых векторах рассеяния, показанных на.Профиль малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) хорошо соответствовал трем гауссовым пикам при 90, 45 Å и 27. Отметим, что третий пик наблюдался не во всех образцах волос. Соответствующие положения и распределения пиков показаны на рисунке. О пике 90 Å уже сообщалось в литературе как о расстоянии между промежуточными филаментами в человеческих волосах. Как далее разработали Рафик, Дусет и Брики (2004), эти пики соответствуют радиальным структурам промежуточных нитей и могут быть хорошо смоделированы, если предположить, что параллельные тетрамеры образованы двумя спиральными катушками с небольшим беспорядком в положениях и ориентациях, так как изображен на рисунке.Также здесь стандартные отклонения 90 ± 2 Å, 47 ± 2 Å, 27 ± 1 Å, как показано на рисунке, малы, что указывает на то, что организация промежуточных нитей на наномасштабе очень мало различается у разных людей.

Дифракционные особенности при малых углах рассеяния.

Малый диапазон q _‖ показан с увеличением на (A). Образцы большинства людей показали 3 отчетливых отражения при ∼90 Å, 46,5 Å и 27 Å, связанных со свойствами промежуточных кератиновых волокон (B).

Обсуждение

Все волосы, использованные в этом исследовании, были в естественном состоянии, собраны у здоровых людей и не подвергались химической обработке до экспериментов. Однако все люди регулярно использовали шампуни для очистки и дополнительные продукты, такие как кондиционеры, воск и гель. Эти продукты действуют в основном на поверхности волокна или рядом с ней, например, для удаления грязи с поверхности волос и, по-видимому, не влияют на внутреннюю структуру кератина, как будет обсуждаться ниже.

Об аномальном сигнале ранее сообщали James et al. (1999) в образцах волос пациентов с раком груди. Такой подход весьма интересен, поскольку сканирование образцов волос может использоваться как простой, недорогой и неинвазивный метод скрининга при диагностике рака. Джеймс и др. (1999) наблюдали кольцевой сигнал при 44,4 Å в положении сигнала ламеллярной плазматической мембраны и приписали этот сигнал наличию рака груди. Позднее Брики и др. Поставили под сомнение анализ и назначение.(1999) и Howell et al. (2000), которые наблюдали эту особенность в равной мере у здоровых и онкологических больных. Кольцевой сигнал 45 Å также присутствует в данных для всех людей, включенных в наше исследование, так что связь с раком груди, скорее всего, может быть исключена.

Общие структурные особенности по результатам рентгеновских экспериментов

На основе двумерных рентгеновских данных в и и анализа в и мы идентифицируем три особенности, присутствующие у всех людей. Эти сигналы связаны со спиралевидным расположением кератиновых белков в коре головного мозга , образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидами в комплексе клеточных мембран волос.Статистический анализ соответствующих молекулярных размеров выявил довольно небольшое распределение между разными людьми. Эти общие свойства человеческих волос наблюдаются во всех волосах, независимо от пола, цвета или внешнего вида волос (как указано в) в пределах количества людей, включенных в это исследование.

Различия в рентгеновских данных между людьми наблюдались в широкоугольной области (WAXS) двумерных данных, что связано со свойствами компонента мембраны.показывает сравнение между людьми 3 и 4, чтобы проиллюстрировать эффект. Для упрощения сравнения исходные данные были разрезаны пополам и рекомбинированы, так что левая половина изображает индивидуум 3, а правая половина – индивидуум 4. В то время как сигналы от фазы белка спиральной спирали, диффузная кольцевая интенсивность от липидов в комплексе клеточной мембраны и у обоих индивидуумов наблюдаются сигналы под малым углом из-за образования промежуточных филаментов, у Субъекта 3 возникают дополнительные сигналы вокруг положения мембранного кольца.Практически идентичные модели наблюдаются в и, в то время как различия видны в; это будет подробно рассмотрено ниже.

Сравнение образцов волос.

(A) показывает сравнение между индивидуумами 3 и 4. В то время как оба образца демонстрируют общие черты, наблюдаются различия в области сигнала от комплекса клеточных мембран. (B) Сравнение между людьми 1 и 2, отцом и дочерью. Данные в (C) (люди 9 и 12) получены от однояйцевых близнецов. Данные в (D) были взяты от разнояйцевых близнецов (люди 10 и 11).В то время как разные люди в целом демонстрируют разные структуры мембран (A), особенности на (B) и (C) полностью совпадают. Разнояйцевые близнецы демонстрируют небольшие различия в характере их поведения на (D).

Дополнительные сигналы, наблюдаемые между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , могут быть отнесены к жирным кислотам, расположенным внутри плазматической мембраны комплекса клеточных мембран. Положение этих липидов внутри волос определяли с помощью синхротронной инфракрасной микроскопии (Kreplak et al., 2001a), обнаруживая соответствующие полосы CH ₂ и CH ₃ . Липидный компонент комплекса клеточной мембраны состоит из трех основных классов липидов: глицеролипидов (в основном фосфолипидов), стеринов и сфинголипидов (Furt, Simon-Plas & Mongrand, 2011). Наиболее распространенные виды липидов относятся к структурным липидам, до 80% которых составляют фосфолипиды фосфохолина (PC) и фосфоэтаноламина (PE).

Положение и ширина широкой кольцевой интенсивности, наблюдаемой во всех образцах, хорошо согласуются с пиками липидной корреляции, полученными для одно- и многокомпонентных фосфолипидных жидких липидных мембран (Kučerka et al., 2005; Petrache et al., 1998; Куч, Тристрам-Нэгл и Нэгл, 2006; Rheinstädter et al., 2004; Райнштедтер, Зейдел и Салдитт, 2007 г .; Rheinstädter et al., 2008; Пан и др., 2008; Schneggenburger et al., 2011; Harroun et al., 1999) и дифракции, наблюдаемой в плазматических мембранах (Welti et al., 1981; Poinapen et al., 2013). Широкий пик корреляции является контрольным признаком жидкообразной неупорядоченной мембранной структуры. Это связано с упаковкой липидных хвостов в ядре гидрофобной мембраны, где липидные ацильные цепи образуют плотно упакованную структуру с гексагональной симметрией (плоская группа p6) (Armstrong et al., 2013). Расстояние между двумя ацильными хвостами определено как aT = 4π / 3qT (Mills et al., 2008; Barrett et al., 2012; Barrett et al., 2013), где q _T – положение пик мембранной корреляции. Среднее расстояние ближайших соседей между двумя липидными хвостами рассчитывается от положения пика до 4,97 Å. Отметим, что интенсивность неупорядоченного компонента мембраны не распределена изотропно по окружности, что свидетельствовало бы о неориентированной, изотропной фазе мембраны.Соответствующий сигнал рассеяния имеет максимум по оси q _z , что указывает на то, что большинство мембран ориентировано параллельно поверхности волос.

Дополнительные узкие компоненты между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , которые наблюдаются в некоторых образцах волос, согласуются со структурными особенностями, описанными в липидных мембранах различного состава. Пик корреляции при ∼1,5 Å ^-1 был обнаружен в гелевой фазе насыщенных фосфолипидных мембран, таких как DMPC (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) и DPPC (дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) ( Тристрам-Нэгл и др., 2002; Кацарас и др., 1995; Rheinstädter et al., 2004). Сообщалось, что ненасыщенные липиды упорядочиваются в структуре с немного большими расстояниями между хвостами ближайших соседей, что приводит к пику корреляции ацильной цепи при ∼1,3 Å ^-1 , как сообщалось для DOPC и POPC (Mills et al., 2009), для экземпляр. Сообщалось, что липиды, такие как димиристоилфосфатидилэтаноламин (DMPE) и заряженный DMPS (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфосерин) с меньшими головными группами, упорядочиваются в более плотно упакованные структуры (Rappolt & Rapp, 1996).Соответствующие пики корреляции ацильной цепи наблюдались при значениях Q ∼ 1,65 Å ^-1 . Таким образом, наблюдаемые различия в дифрактограммах рентгеновских лучей у разных людей могут быть связаны с различиями в молекулярном составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Важную роль в этом составе играет генетика.

Генетическое сходство

Некоторые субъекты имеют генетические отношения в рамках пула субъектов.В частности, субъекты 1 и 2 – дочь и отец, субъекты 10 и 11 – разнояйцевые близнецы, а субъекты 9 и 12 – однояйцевые близнецы. Соответствующие дифракционные данные показаны на, и. Хотя в целом было обнаружено, что дифракционные картины в мембранной области различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов демонстрируют идентичные картины в пределах разрешающей способности нашего эксперимента.

Интересно отметить, что различия наблюдаются для разнояйцевых близнецов в.Этот вывод согласуется с ожиданием, что люди со схожей генетикой будут иметь схожие физические черты, такие как структура волос. Идентичные или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития, и у них 100% общего генетического материала. Братские или дизиготные близнецы развиваются в результате оплодотворения двух разных яйцеклеток, и в среднем они разделяют только 50% своей ДНК (Nussbaum et al., 2007).

Как и ожидалось, идентичная пара близнецов показывает почти идентичную структуру волос, тогда как братская пара демонстрирует явные различия.Потомство получает половину своих хромосом от каждого родителя, поэтому генетическое сходство между родительской и дочерней парой примерно такое же, как у разнояйцевых близнецов (Creasy et al., 2013). Поэтому удивительно, что пара отца и дочери имеет значительно больше общего, чем пара разнояйцевых близнецов. Это можно объяснить тем фактом, что выражение сложного признака, такого как структура волос, будет зависеть от паттерна наследования многих генов, определяющих фенотип, например, от того, являются ли они доминантными или рецессивными признаками.Генетическое сходство не гарантирует идентичную структуру волос, и, аналогично, генетическая изменчивость не гарантирует различий. Хотя мы можем сообщить об этом открытии, небольшое количество связанных образцов исключает более подробный и количественный анализ этого эффекта в настоящее время.

Сравнение отца и дочери также позволяет изучить влияние средств по уходу за волосами, таких как шампунь и кондиционер, на молекулярную структуру волос. В то время как Субъект 2 (отец) использует мыло и гель для душа, чтобы очистить кожу головы и волосы, Субъект 1 (дочь) регулярно пользуется шампунем и кондиционером.Идентичные рентгеновские сигналы указывают на то, что эти продукты не влияют на молекулярную структуру кератина и мембран глубоко внутри волос (в пределах разрешающей способности нашего эксперимента).

Отметим, что для максимизации рассеянных сигналов вся прядь волос была освещена в наших экспериментах с использованием относительно большого пучка рентгеновских лучей. Микропучковая дифракция рентгеновских лучей на синхротронных источниках, в которой используются пучки малого размера микрометра (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006), дает высокое пространственное разрешение. Освещая отдельные части волос, появление наблюдаемых нами сигналов может быть определено в зависимости от их местоположения в волосах в будущих экспериментах.

Выводы

Мы изучили молекулярную структуру волос нескольких людей с помощью дифракции рентгеновских лучей. Образцы волос были взяты у 12 здоровых людей с различными характеристиками, такими как пол, внешний вид и генетическое родство.В эксперименте наблюдались сигналы, соответствующие фазе спиральной спирали молекул кератина, образованию промежуточных филаментов в коре головного мозга и от молекул липидов в комплексе клеточных мембран. Соответствующие сигналы наблюдались у всех людей, независимо от пола или внешнего вида волос, таких как цвет или волнистость, в пределах разрешающей способности этого эксперимента. Учитывая небольшое стандартное отклонение молекулярных размеров этих общих характеристик, аномалии, возможно, связанные с определенными заболеваниями, должны быть легко обнаружены.

Хотя все образцы волос демонстрировали эти общие черты, между людьми наблюдались различия в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет важную роль в свойствах этих мембран, поскольку генетически похожие образцы волос от отца и дочери и однояйцевых близнецов показали идентичный рисунок, а волосы от разнояйцевых близнецов – нет.

Дополнительная информация

Дополнительная информация 1

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов:

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

Заявление о финансировании

Это исследование финансировалось Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Национальным исследовательским советом Канады (NRC), Канадским фондом инноваций (CFI) и Министерством экономического развития и инноваций Онтарио. . MCR является лауреатом премии «Ранние исследователи» провинции Онтарио.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Дополнительная информация и заявления

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

Фей-Чи Ян, Ючен Чжан и Майкель К. Райнштедтер разработали и спланировали эксперименты, выполнили эксперименты, проанализировали данные, предоставили реагенты / материалы / инструменты для анализа, написали документ, подготовили рисунки и / или таблицы , рассмотрел черновики статьи.

Human Ethics

Следующая информация была предоставлена ​​относительно этических разрешений (например, утверждающий орган и любые ссылочные номера):

Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.

Ссылки

Armstrong et al. (2013) Армстронг К.Л., Марквардт Д., Дис Х, Кучерка Н., Ямани З., Харроун Т.А., Катсарас Дж., Ши А.С., Райнштедтер М.С. Наблюдение высокоупорядоченных доменов в мембранах с холестерином. PLOS ONE. 2013; 8: e619.DOI: 10.1371 / journal.pone.0066162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Sisson (1935) Astbury WT, Sisson WA. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. III. Конфигурация молекулы кератина и ее ориентация в биологической клетке. Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 1935; 150: 533–551. DOI: 10.1098 / rspa.1935.0121. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Street (1932) Astbury WT, Street A.Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. I. Общие. Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1932; 230: 75–101. DOI: 10.1098 / RSTA.1932.0003. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Woods (1934) Astbury W.T., Woods HJ. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. II. Молекулярная структура и эластичные свойства кератина волос. Философские труды Лондонского королевского общества.Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1934; 232: 333–394. DOI: 10.1098 / rsta.1934.0010. [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2012) Барретт М.А., Чжэн С., Рошанкар Г., Олсоп Р.Дж., Белангер РКР, Хюнь С., Кучерка Н., Райнштедтер М.С. Взаимодействие аспирина (ацетилсалициловой кислоты) с липидными мембранами. PLoS ONE. 2012; 7: e619. DOI: 10.1371 / journal.pone.0034357. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2013) Барретт М.А., Чжэн С., Топпозини Л.А., Олсоп Р.Дж., Дис Х, Ван А., Яго Н., Мур М., Райнштедтер М.С.Растворимость холестерина в липидных мембранах и образование несмешивающихся холестериновых бляшек при высоких концентрациях холестерина. Мягкая материя. 2013; 9: 9342–9351. DOI: 10.1039 / c3sm50700a. [CrossRef] [Google Scholar] Берг, Розенберг и Эсбери (1972) Берг Б.О., Розенберг С.Х., Эсбери А.К. Гигантская аксональная нейропатия. Педиатрия. 1972: 49: 894–899. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (2000) Briki F, Busson B, Kreplak L, Dumas P, Doucet J. Исследование биологической ткани от атомного до макроскопического масштаба с использованием синхротронного излучения: пример волос.Клеточная и молекулярная биология. 2000; 46: 1005–1016. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (1999) Briki F, Busson B, Salicru B, Estève F, Doucet J. Диагностика рака груди с использованием волос. Природа. 1999; 400: 226–226. DOI: 10,1038 / 22244. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Busson, Engstrom & Doucet (1999) Busson B., Engstrom P, Doucet J. Существование различных структурных зон в кератиновых тканях, выявленных с помощью микродифракции рентгеновских лучей. Журнал синхротронного излучения. 1999; 6: 1021–1030. DOI: 10.1107 / S090937.[CrossRef] [Google Scholar] Cohen & Parry (1994) Cohen C, Parry DA. Альфа-спиральные спиральные катушки: больше фактов и более точные прогнозы. Наука. 1994; 263: 488–489. DOI: 10.1126 / science.82. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Creasy et al. (2013) Creasy RK, Resnik R, Iams JD, Lockwood CJ, Greene MF, редакторы. Медицина матери и плода Кризи и Резника: принципы и практика. У. Б. Сондерс; 2013. [Google Scholar] Crewther et al. (1983) Crewther WG, Dowling LM, Steinert PM, Parry DAD. Структура промежуточных волокон.Международный журнал биологических макромолекул. 1983; 5: 267–274. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (83)-5. [CrossRef] [Google Scholar] Крик (1952) Крик FHC. Является ли α -кератин спиральной катушкой? Природа. 1952; 170: 882–883. DOI: 10.1038 / 170882b0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Franbourg et al. (2003) Franbourg A, Hallegot P, Baltenneck F, Toutaina C, Leroy F. Текущие исследования этнических волос. Журнал Американской академии дерматологии. 2003; 48: S115 – S119. DOI: 10.1067 / mjd.2003.277. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др.(1986) Fraser RD, MacRae TP, Parry DA, Suzuki E. Промежуточные волокна в альфа-кератинах. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1986; 83: 1179–1183. DOI: 10.1073 / pnas.83.5.1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Fraser, MacRae & Rogers (1962) Fraser RD, MacRae TP, Rogers GE. Молекулярная организация в альфа-кератине. Природа. 1962; 193: 1052–1055. DOI: 10.1038 / 1931052a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др. (1988) Fraser RDB, MacRae TP, Sparrow LG, Parry DAD.Дисульфидная связь в α -кератине. Международный журнал биологических макромолекул. 1988. 10: 106–112. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (88)-7. [CrossRef] [Google Scholar] Фурт, Саймон-Плас и Монгранд (2011) Фурт Ф, Саймон-Плас Ф, Монгранд С. В: Плазматическая мембрана растений. Мерфи А.С., Шульц Б., Пер В., редакторы. т. 19. Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag; 2011. С. 57–85. (Монографии по растительной клетке). [CrossRef] [Google Scholar] Harroun et al. (1999) Харроун Т.А., Хеллер В.Т., Вайс Т.М., Ян Л., Хуанг Х.В.Экспериментальные доказательства гидрофобного соответствия и мембранно-опосредованных взаимодействий в липидных бислоях, содержащих грамицидин. Биофизический журнал. 1999; 76: 937–945. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (99) 77257-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Хауэлл и др. (2000) Хауэлл А., Гроссманн Дж. Г., Чунг К. С., Канби Л., Д. Гарет Р. Э., Хаснайн СС. Можно ли использовать волосы для скрининга рака груди? Журнал медицинской генетики. 2000. 37: 297–298. DOI: 10.1136 / jmg.37.4.297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Иида и Нома (1993) Иида А., Нома Т.Синхротронный рентгеновский мупрозонд и его применение для анализа волос человека. Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 1993. 82: 129–138. DOI: 10.1016 / 0168-583X (93) 95092-J. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс (2001) Джеймс В. Важность хороших изображений при использовании волос для выявления рака груди. Журнал медицинской генетики. 2001; 38: e619. DOI: 10.1136 / jmg.38.5.e16. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Вероника и Амемия (1998) Джеймс В.Дж., Амемия Ю.Промежуточная упаковка филаментов в α -кератин иглы ехидны. Текстильный исследовательский журнал. 1998. 68: 167–170. DOI: 10.1177 / 004051759806800303. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс и др. (1999) Джеймс В., Кирсли Дж., Ирвинг Т., Амемия Ю., Куксон Д. Использование волос для выявления рака груди. Природа. 1999; 398: 33–34. DOI: 10,1038 / 17949. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kajiura et al. (2006) Kajiura Y, Watanabe S, Itou T., Nakamura K, Iida A, Inoue K, Yagi N, Shinohara Y, Amemiya Y. Структурный анализ отдельных волокон человеческого волоса путем сканирования саксофонов с микропучками.Журнал структурной биологии. 2006. 155: 438–444. DOI: 10.1016 / j.jsb.2006.04.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Katsaras et al. (1995) Katsaras J, Raghunathan VA, Dufourc EJ, Dufourcq J. Доказательства двумерной молекулярной решетки в двухслойных dppc-слоях субгелевой фазы. Биохимия. 1995; 34: 4684–4688. DOI: 10.1021 / bi00014a023. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001a) Kreplak L, Briki F, Duvault Y, Doucet J, Merigoux C., Leroy F, Lévêque JL, Miller L, Carr GL, Williams GP, Dumas P.Профилирование липидов в поперечных срезах волос европеоидов и афроамериканцев с помощью синхротронной инфракрасной микроспектрометрии. Международный журнал косметической науки. 2001a; 23: 369–374. DOI: 10.1046 / j.0412-5463.2001.00118.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001b) Kreplak L, Mérigoux C, Briki F, Flot D, Doucet J. Исследование структуры кутикулы человеческого волоса с помощью микродифракции: прямое наблюдение за набуханием комплекса клеточных мембран. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Структура белка и молекулярная энзимология.2001b; 1547: 268–274. DOI: 10.1016 / S0167-4838 (01) 00195-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kučerka et al. (2005) Kučerka N, Liu Y, Chu N, Petrache HI, Tristram-Nagle S, Nagle JF. Структура полностью гидратированной жидкой фазы липидных бислоев DMPC и DLPC с использованием рассеяния рентгеновских лучей от ориентированных многослойных массивов и от однослойных везикул. Биофизический журнал. 2005; 88: 2626–2637. DOI: 10.1529 / biophysj.104.056606. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kuč, Tristram-Nagle & Nagle (2006) Kučerka N, Tristram-Nagle S, Nagle JF.Рассмотрим структуру полностью гидратированных бислоев жидкой фазы dppc. Биофизический журнал. 2006; 90: L83 – L85. DOI: 10.1529 / biophysj.106.086017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Лупас и Грубер (2005) Лупас А.Н., Грубер М. Структура α -спиральных спиральных катушек. Достижения в химии белков. 2005; 70: 37–38. [PubMed] [Google Scholar] Мерсер (1953) Мерсер Э. Х. Неоднородность кератиновых волокон. Текстильный исследовательский журнал. 1953; 23: 388–397. DOI: 10.1177 / 004051755302300603.[CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2009) Миллс Т.Т., Хуанг Дж., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Влияние холестерина и ненасыщенного липида dopc на упаковку цепи насыщенных двухслоев dppc гель-фазы. Общая физиология и биофизика. 2009. 28: 126–139. DOI: 10.4149 / gpb_2009_02_126. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2008) Миллс Т.Т., Тумбес Г.Е., Тристрам-Нэгл С., Смилджис Д.-М., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Параметры порядка и площади в жидкофазных липидных мембранах с использованием широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей.Биофизический журнал. 2008. 95: 669–681. DOI: 10.1529 / biophysj.107.127845. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Nussbaum et al. (2007) Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р., Уиллард Х.Ф., Хамош А. Принципы молекулярного заболевания: уроки гемоглобинопатий. Генетика Томпсона и Томпсона в медицине. 2007; т. 6: 181–202. [Google Scholar] Охта и др. (2005) Охта Н., Ока Т., Иноуэ К., Яги Н., Като С., Хатта И. Структурный анализ комплекса клеточных мембран волосяного волокна с помощью дифракции рентгеновских лучей микролучей.Журнал прикладной кристаллографии. 2005. 38: 274–279. DOI: 10.1107 / S002188980403403X. [CrossRef] [Google Scholar] Пан и др. (2008) Пэн Дж., Миллс ТТ, Тристрам-Нэгл С., Нэгл Дж. Ф. Холестерин не универсально возмущает липидные бислои. Письма с физическим обзором. 2008; 100: 198103. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.100.198103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1950) Полинг Л., Кори РБ. Две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями. Журнал Американского химического общества.1950; 72: 5349–5349. DOI: 10.1021 / ja01167a545. [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1951) Полинг Л., Кори РБ. Структура волос, мышц и связанных с ними белков. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1951; 37: 261–271. DOI: 10.1073 / pnas.37.5.261. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Petrache et al. (1998) Petrache HI, Gouliaev N, Tristram-Nagle S, Zhang R, Suter RM, Nagle JF. Межслойные взаимодействия от рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения.Physical Review E. 1998; 57: 7014–7024. DOI: 10.1103 / PhysRevE.57.7014. [CrossRef] [Google Scholar] Пинто и др. (2014) Пинто Н., Ян Ф. К., Негиши А., Райнштедтер М.С., Гиллис Т.Э., Фадж Д.С. Самосборка увеличивает прочность волокон, сделанных из белков промежуточных филаментов виментина. Биомакромолекулы. 2014; 15: 574–581. DOI: 10.1021 / bm401600a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Poinapen et al. (2013) Poinapen D, Toppozini L, Dies H, Brown DCW, Rheinstädter MC. Статические магнитные поля улучшают порядок липидов в плазматической мембране нативных растений.Мягкая материя. 2013; 9: 6804–6813. DOI: 10.1039 / c3sm50355k. [CrossRef] [Google Scholar] Rafik, Doucet & Briki (2004) Rafik MEr, Doucet J, Briki F. Архитектура промежуточного волокна, определенная с помощью моделирования дифракции рентгеновских лучей твердого α -кератина. Биофизический журнал. 2004. 86: 3893–3904. DOI: 10.1529 / biophysj.103.034694. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Рандебрук (1964) Рандебрук Р.Дж. Neue erkenntnisse über den morphologischen aufbau des menschlichen haares. Журнал Общества химиков-косметологов.1964; 15: 691–706. [Google Scholar] Раппольт и Рапп (1996) Раппольт М., Рапп Г. Одновременная дифракция мало- и широкоугольного рентгеновского излучения во время основного перехода димиристоилфосфатидилэтаноламина. Berichte der Bunsengesellschaft и Physikalische Chemie. 1996; 7: 1153–1162. DOI: 10.1002 / bbpc.19961000710. [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2008) Rheinstädter MC, Das J, Flenner EJ, Brüning B, Seydel T, Kosztin I. Движущая когерентность в жидких фосфолипидных мембранах. Письма с физическим обзором.2008; 101: 248106. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.101.248106. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2004) Rheinstädter MC, Ollinger C, Fragneto G, Demmel F, Salditt T. Коллективная динамика липидных мембран изучается методом неупругого рассеяния нейтронов. Письма с физическим обзором. 2004; 93: 108107. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.93.108107. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter, Seydel & Salditt (2007) Rheinstädter MC, Seydel T, Salditt T. Наносекундные молекулярные релаксации в липидных бислоях изучаются с помощью рассеяния нейтронов с высоким энергетическим разрешением и дифракции на месте.Physical Review E. 2007; 75: 011907. DOI: 10.1103 / PhysRevE.75.011907. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Роббинс (2012) Роббинс CR. Химическое и физическое поведение человеческого волоса. 5-е изд. Нью-Йорк: Спрингер; 2012. [Google Scholar] Rogers (1959) Rogers GE. Электронная микроскопия шерсти. Журнал исследований ультраструктуры. 1959; 2: 309–330. DOI: 10.1016 / S0022-5320 (59) 80004-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Schneggenburger et al. (2011) Schneggenburger P, Beerlink A, Weinhausen B, Salditt T, Diederichsen U.Пептидные модельные спирали в липидных мембранах: вставка, позиционирование и липидный ответ на агрегацию, изученный с помощью рассеяния рентгеновских лучей. Европейский биофизический журнал. 2011; 40: 417–436. DOI: 10.1007 / s00249-010-0645-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Swift & Smith (2001) Swift JA, Smith JR. Микроскопические исследования эпикутикулы кератиновых волокон млекопитающих. Журнал микроскопии. 2001; 204: 203–211. DOI: 10.1046 / j.1365-2818.2001.00957.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Тристрам-Нэгл и др.(2002) Тристрам-Нэгл С., Лю Ю., Леглейтер Дж., Нэгл Дж. Ф. Структура dmpc гелевой фазы определена методом рентгеновской дифракции. Биофизический журнал. 2002; 83: 3324–3335. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (02) 75333-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ward & Lundgren (1954) Ward WH, Lundgren HP. Формирование, состав и свойства кератинов. Достижения в химии белков. 1954. 9: 243–297. [PubMed] [Google Scholar] Welti et al. (1981) Велти Р., Ринтул Д.А., Гудсайд-Залдуондо Ф., Фелдер С., Зильберт Д.Ф.Гелеобразный фосфолипид в плазматической мембране истощенных стеролом клеток lm мыши. Журнал биологической химии. 1981; 256: 7528–7535. [PubMed] [Google Scholar] Wilk, James & Amemiya (1995) Wilk KE, James VJ, Amemiya Y. Структура промежуточных волокон человеческого волоса. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – общие субъекты. 1995; 1245: 392–396. DOI: 10.1016 / 0304-4165 (95) 00111-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ян и др. (2014) Ян Ф.К., Петерс Р.Д., Дис Х., Райнштедтер М.С. Иерархическая, самоподобная структура в естественном загоне кальмаров.Мягкая материя. 2014; 10: 5541–5549. DOI: 10.1039 / C4SM00301B. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Структура волос людей

, , и

Фей-Чи Ян

Департамент физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Yuchen Zhang

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Майкель К. Райнштедтер

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Академический редактор: Микко Картт

Кафедра физики и астрономии, Университет Макмастера, Гамильтон, Онтарио, Канада

Автор, ответственный за переписку.

Поступило 7 августа 2014 г .; Принято. 22 сентября 2014 г..

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение, воспроизведение и адаптацию на любом носителе и для любых целей при условии правильной ссылки на нее. Для указания авторства необходимо процитировать первоначального автора (ов), заголовок, источник публикации (PeerJ) и либо DOI, либо URL-адрес статьи. Эта статья цитируется другими статьями в PMC.

Дополнительные материалы

Дополнительная информация 1: Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

DOI: 10.7717 / peerj.619 / supp-1

Abstract

Волосы – это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой слабоупакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой головного мозга , которая содержит большую часть массы волокон, в основном состоящих из белков кератина и структурных липиды.Кора головного мозга окружена кутикулой , слоем мертвых перекрывающихся клеток, образующих защитный слой вокруг волос. Соответствующие структуры широко изучались с использованием множества различных методов, таких как световой, электронный и атомно-силовой микроскопы, а также дифракция рентгеновских лучей. Нас интересовал вопрос, насколько молекулярная структура волос отличается от человека к человеку, между мужскими и женскими волосами, волосами разного внешнего вида, такими как цвет и волнистость.Мы включили в исследование волосы родителей и детей, однояйцевых и разнояйцевых близнецов, чтобы увидеть, будут ли генетически похожие волосы иметь сходные структурные особенности.

Молекулярная структура образцов волос была изучена с помощью дифракции рентгеновских лучей высокого разрешения, которая охватывает масштабы длины от молекул до организации вторичных структур. Сигналы из-за фазы спиральной спирали α -спиральных кератиновых белков, промежуточных кератиновых филаментов в коре головного мозга и от липидных слоев в комплексе клеточных мембран наблюдались в образцах всех индивидуумов с очень небольшими отклонениями.Несмотря на относительно небольшое количество людей (12), включенных в это исследование, некоторые выводы можно сделать. Хотя общие черты наблюдались у всех индивидуумов, а соответствующие молекулярные структуры были почти идентичными, в некоторых образцах наблюдались дополнительные сигналы, которые относились к разным типам липидов в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет роль в этой композиции, поскольку идентичные образцы наблюдались в волосах отца и дочери и однояйцевых близнецов, но не у разнояйцевых близнецов.Идентификация и характеристика этих особенностей является важным шагом на пути к обнаружению аномалий в молекулярной структуре волос в качестве потенциального диагностического инструмента для определенных заболеваний.

Ключевые слова: Человеческий волос, молекулярная структура, дифракция рентгеновских лучей, кератин, промежуточная нить, спиральные белки, альфа-спираль, комплекс клеточных мембран

Введение

Волосы на голове человека – это биосинтезированный материал, который имеет сложная внутренняя структура.Волосы взрослого человека составляют около 20–180 мкм в ширину и обычно вырастают примерно до 90 см в длину. Он состоит из множества слоев, включая кутикулу , кору и мозговое вещество . Эти слои связаны вместе комплексом клеточных мембран (Robbins, 2012).

Структура человеческого волоса хорошо известна, и, в частности, дифракция рентгеновских лучей выявила детали молекулярной структуры и организации внутри волос (Fraser et al., 1986; Briki et al., 2000; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Randebrook , 1964; Fraser, MacRae & Rogers, 1962; Kreplak et al., 2001b; Вилк, Джеймс и Амемия, 1995; Полинг и Кори, 1951; Охта и др., 2005; Эстбери и Стрит, 1932; Эстбери и Вудс, 1934; Астбери и Сиссон, 1935; Franbourg et al., 2003; Рафик, Дусет и Брики, 2004; Джеймс и др., 1999; Вероника и Амемия, 1998; Брики и др., 1999; Джеймс, 2001). В частности, методы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей позволяют определять структуру волос с высоким пространственным разрешением (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006). Это давний вопрос, могут ли изменения молекулярной структуры ногтей или волос быть связаны с определенными заболеваниями и потенциально использоваться в качестве диагностического инструмента. Такой метод, в частности, был бы интересен и актуален как простой неинвазивный метод скрининга рака (James et al., 1999; Briki et al., 1999; James, 2001). Аномальные курчавые волосы, например, характерны для гигантской аксональной нейропатии (Berg, Rosenberg & Asbury, 1972).

Целью данного исследования является использование дифракции рентгеновских лучей для анализа структуры волос на черепе человека у людей с различными характеристиками. 12 человек в этом исследовании включают волосы мужчин и женщин, а также волосы разного цвета и внешнего вида, такие как прямые, волнистые и вьющиеся. Помимо внешнего вида, исследование также включает волосы отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов, чтобы выявить генетическое сходство. Все волосы были собраны у здоровых людей, и перед экспериментами позаботились о том, чтобы волосы не подвергались химической химической завивке или окрашиванию.

Сигналы из-за организации спиральной спирали α -спиральных белков кератина и промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидов в комплексе клеточных мембран наблюдались в волосах всех индивидуумов. Хотя эти общие особенности проявляются независимо от пола или внешнего вида волос с очень небольшим стандартным отклонением основных молекулярных размеров, мы обнаруживаем значительные различия между людьми в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран.Генетика, по-видимому, является наиболее важным фактором, определяющим состав мембран, поскольку не наблюдались или наблюдались незначительные различия в генетически связанных образцах волос, а не во внешних факторах, таких как питание или средства по уходу за волосами.

Свойства человеческого волоса

Кутикула – это самый внешний слой, образованный плоскими перекрывающимися клетками в чешуевидном образовании (Robbins, 2012). Эти клетки имеют толщину примерно 0,5 мкм, длину 45–60 мкм и находятся с интервалами 6–7 мкм (Robbins, 2012).Самый внешний слой кутикулы , эпикутикула, представляет собой липопротеиновую мембрану, толщина которой оценивается в 10–14 нм (Swift & Smith, 2001). Под ним находится слой A с высоким содержанием цистеина и толщиной от 50 до 100 нм, экзокутикула с высоким содержанием цистеина и сильно изменяющейся толщиной в диапазоне от 50 до 300 нм и эндокутикула с низким содержанием цистеина. и толщиной также от 50 до 300 нм.

Большая часть волосяного волокна – это кора, которая содержит клетки в форме веретена, расположенные параллельно оси волокна.Было установлено, что эти корковые клетки имеют диаметр примерно 1–6 мкм и длину 50–100 мкм (Randebrook, 1964). В шерстяных волокнах, а также в человеческих волосах было замечено, что корковые клетки разделены на различные области, называемые ортокортексом, паракортикальным слоем и мезокортексом (Mercer, 1953). Различие в распределении этих типов клеток является важным фактором для определения кривизны волосяного волокна (Kajiura et al., 2006). В частности, прямые волосы имеют тенденцию иметь симметричное распределение орто- и паракортексов, тогда как вьющиеся волосы имеют тенденцию иметь несимметричное распределение этих кортикальных клеток (Kajiura et al., 2006). Большинство корковых клеток состоит из белка, известного как кератин (Роббинс, 2012).

На молекулярном уровне кератин представляет собой спиральный белок (Pauling & Corey, 1950). В волосах есть два типа кератиновых волокон: тип I с кислотными аминокислотными остатками и тип II с основными аминокислотными остатками. Одна нить волокна типа I и одна нить волокна типа II скручиваются вместе, образуя димеры типа coiled-coil. В свою очередь, эти димеры скручиваются антипараллельно с образованием тетрамеров (Crewther et al., 1983; Fraser et al., 1988).

Когда тетрамеры соединяются от головы к хвосту, они известны как протофиламенты (Robbins, 2012). Полагают, что эти тетрамеры или протофиламенты взаимодействуют друг с другом, образуя единую промежуточную нить диаметром примерно 75–90 Å. Текущая модель промежуточного филамента была предложена в 1980-х годах и включает 7 протофиламентов, окружающих протофиламент с одним ядром (Robbins, 2012; Fraser et al., 1988). Промежуточные волокна затем объединяются вместе с образованием макроволокон диаметром от 1000 до 4000 Å (Robbins, 2012; Randebrook, 1964).Между промежуточными филаментами находится матрица, состоящая из белков, связанных с кератином, которые имеют неправильную структуру. Макрофибриллы, состоящие из промежуточных нитей и окружающей матрицы, являются основными единицами кортикальной клетки.

Комплекс клеточных мембран – это материал, который склеивает волосковые клетки. Существуют различные типы комплексов клеточных мембран: кутикула – кутикула , кутикула – кора и кора – котекс в зависимости от местоположения (Robbins, 2012).Общая структура мембраны представляет собой один 15-нм белковый дельта-слой, зажатый двумя 5-нм липидными бета-слоями (Rogers, 1959). Все еще существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было определено, что 18-метилэйкозановая кислота, ковалентно связанная жирная кислота, существует в верхнем бета-слое в кутикуле-кутикуле , но не в мембранах коры-коры (Ward & Lundgren, 1954). Фактически, большинство жирных кислот в бета-слоях мембран в кутикуле-кутикуле связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры коры нековалентно связаны (Robbins, 2012).Дальнейшие данные подтверждают, что жирные кислоты в мембранах кутикула-кутикула организованы в виде монослоя, тогда как жирные кислоты в мембранах клеток коры-коры являются двухслойными (Robbins, 2012). Комплекс кутикула – кора клеточной мембраны представляет собой смесь двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , аналогична мембранам кутикула – кутикула , а сторона, обращенная к коре, аналогична мембранам кора – кора (Robbins, 2012). .

Материалы и методы

Подготовка образцов волос

Это исследование было одобрено Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.Письменное согласие было получено от всех участников. Образцы волос на голове были собраны у 12 взрослых людей разного возраста, пола, национальности, цвета и формы волос. Интересно отметить, что есть 3 пары участников исследования с генетическим родством, включая отца и дочь, разнояйцевых близнецов и однояйцевых близнецов. Характеристики образцов приведены в.

Таблица 1

Список всех образцов волос в этом исследовании.

Эти лица включают мужчин и женщин с волосами разного внешнего вида, например, толщины, цвета и волнистости, а также генетически родственные образцы волос от отца и дочери, пары однояйцевых и пары разнояйцевых близнецов.Маркировка соответствует данным, приведенным в.

90 F

Тема	Пол	Диаметр (мкм) ± SD	Цвет	Внешний вид	Особый комментарий
1	F	30 ± 3	светло-русый	светлый блондин		дочь
2	M	49 ± 5	коричневый / серый	фигурный	отец
3	F	74 ± 7	черный	волнистый	–
4	M	50 ± 5	светло-коричневый	кудрявый	–
5	F	49 ± 5	блондин	кудрявый	–	1 –	1
6	43 ± 4	светло-коричневый	прямой	–
7	F	61 ± 6	светло-коричневый	волнистый	–
8	F	49 ± 5	черный	волнистый	–
9	F	31 ± 3	светлый	волнистый	волнистый 900	идентичный сдвоенный
10	F	66 ± 7	черный	прямой	братский сдвоенный
11	F	69 ± 7	черный	прямой	раздельный сдвоенный
12	F	48 ± 5	блондин	завитый	идентичный близнец

Собранные образцы волос разрезали на пряди длиной около 3 см.При этом соблюдали осторожность, чтобы не растягивать и не деформировать пряди волос. Для каждого испытуемого около 10 прядей были приклеены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора – это место, где на образце волос происходит рассеяние. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, используемый для закрепления прядей в эксперименте.

Картонный прибор устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) с помощью липкой замазки.

Эксперимент по дифракции рентгеновских лучей

Данные дифракции рентгеновских лучей были получены с использованием эксперимента по биологической дифракции под большим углом (BLADE) в лаборатории мембранной и белковой динамики в Университете Макмастера. В BLADE используется вращающийся анод CuK α Rigaku Smartlab мощностью 9 кВт (45 кВ, 200 мА) на длине волны 1.5418 Å. Фокусирующая многослойная оптика обеспечивала параллельный пучок высокой интенсивности с интенсивностью монохроматического рентгеновского излучения до 10 ¹⁰ отсчетов / (с × мм ² ) в месте расположения образца. Чтобы максимизировать интенсивность рассеивания, пряди волос были выровнены параллельно параллельному лучу для максимального освещения. Прорези были установлены таким образом, чтобы около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двумерных данных: хотя он обеспечивает высокое разрешение вдоль экватора, главный луч значительно размывается в направлении q _z до q _z – значения около 0.5 Å ^-1 , ограничивая максимальную наблюдаемую шкалу длин примерно до 13 Å.

Двумерные рентгеновские данные всех 12 пациентов.

Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Показанный диапазон ( q _∥ , q _z ) был определен в предварительных экспериментах, чтобы охватить особенности, наблюдаемые при дифракции рентгеновских лучей. Измерения охватывают шкалу длины от 3 до 90 Å для изучения характеристик спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых филаментов в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на 2D-графиках, заметны тонкие различия, которые подробно обсуждаются в тексте.

Интенсивность дифрагированного излучения регистрировалась точечным детектором. Щели и коллиматоры устанавливались между рентгеновской оптикой и образцом, а также между образцом и детектором соответственно. Путем совмещения прядей волос на рентгеновском дифрактометре можно определить молекулярную структуру вдоль направления волокон и перпендикулярно волокнам. Мы будем называть эти компоненты полного вектора рассеяния Q → как q _z и q _‖ , соответственно, в дальнейшем.На рисунке показаны ориентации q _z и q _‖ . Результатом рентгеновского эксперимента является двухмерная карта интенсивности большой области обратного пространства -2,5 Å ^-1 < q _z <2,5 Å ^-1 и -2,5 Å ⁻¹ < q _‖ <2,5 Å ⁻¹ . Соответствующие масштабы длины в реальном пространстве определяются как d = 2 π / | Q | и охватывают масштабы длины от примерно 3 до 90 Å, включая типичные молекулярные размеры и расстояния для вторичных белковых и липидных структур.

Схема рентгеновской установки и пример рентгеновских данных.

Пряди волос ориентировали на рентгеновском дифрактометре длинной осью вдоль q _z . Двумерные рентгеновские данные были измерены для каждого образца, охватывающего расстояния примерно от 3 до 90 Å, включая сигналы от фазы спиральной спирали , α -кератина, промежуточных фибрилл в кортексе и от комплекса клеточных мембран. Двумерные данные были объединены и преобразованы в линейное сканирование и пригодны для количественного анализа.

Интеграция двумерных данных выполнялась с использованием Matlab, MathWorks. Путем сложения пиковых интенсивностей по направлениям q _z и q _‖ были получены одномерные данные по каждому из двух направлений. Интенсивность q _z была интегрирована азимутально для угла 25 градусов по меридиану. Интенсивность q _‖ была интегрирована азимутально для угла 25 градусов над экватором, как показано на.

Процесс подбора выполняется как для одномерных данных q _z , так и для данных q _‖ , полученных в результате интегрирования. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания вида ( a ⋅ q ^b + c ) в первом прогоне. Начальные параметры были выбраны на основе наблюдаемых положений, ширины и высоты пиков и свободного перемещения по всему диапазону q .Критерий для окончательных параметров состоял в том, чтобы минимизировать средний квадрат разницы между интенсивностью данных и подобранной интенсивностью. Если подобранная интенсивность не может соответствовать форме интенсивности данных, в следующих прогонах будут добавлены дополнительные пики, пока не будет получено хорошее соответствие. Этот процесс был повторен для всех 12 субъектов и проводился без консультации с предыдущими настройками, чтобы минимизировать систематическую ошибку.

Что касается данных SAXS, то вместо них используются функции Гаусса. Следует отметить, что использование оптических компонентов на пути луча влияет на форму наблюдаемых пиков Брэгга: вместо функций пиков Лоренца или Бесселя было обнаружено, что профили пиков Гаусса лучше всего описывают пики МУРР.Процесс подгонки был таким же, как упоминалось ранее: три гауссианы были подогнаны к данным МУРР с использованием параметров свободного движения и экспоненциального фона затухания. Однако для некоторых испытуемых третий пик был зашумленным, и наименьший среднеквадратичный логарифм не мог достичь хорошего соответствия, и, следовательно, данные были подогнаны только с двумя гауссианами.

Результаты

Всего в исследовании приняли участие 12 взрослых субъектов. Подробная информация о поле и внешнем виде прядей указана в. Около 10 прядей были вырезаны из кожи головы, приклеены к держателю образца и выровнены на рентгеновском дифрактометре.Полученные в результате двухмерные карты интенсивности рентгеновского излучения обратного пространства раскрывают изысканные детали молекулярной структуры волос на черепе человека, как показано на рис. Пряди волос были ориентированы так, чтобы длинная ось волос была параллельна вертикальной оси z . Отображаемый диапазон ( q _z , q _‖ ) был определен таким образом, чтобы охватить масштабы длины интересующих элементов в предварительных экспериментах.

Данные показывают отчетливое неизотропное распределение дифрагированной интенсивности с ярко выраженными и четко определенными интенсивностями вдоль длинной оси волос и в экваториальной плоскости ( q _z и q _‖ – оси соответственно), что свидетельствует о высокой степени молекулярного порядка в прядях волос.Некоторые особенности были общими для всех образцов и относились к определенным молекулярным компонентам, как объясняется в следующем разделе.

Назначение общих сигналов рассеяния

Фаза белка спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в коре головного мозга организуются в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого рисунка являются ∼9.5 Å (соответствует q _‖ ∼ 0,6 Å ^-1 ) экваториальное отражение, соответствующее расстоянию между соседними спиральными катушками, и меридиональное отражение ∼5,0 Å (соответствует q _z ∼ 1,25 Å ⁻¹ ), что соответствует сверхспиральной структуре α -спиралей, закручивающихся друг вокруг друга внутри спиральных витков (Crick, 1952; Cohen & Parry, 1994; Lupas & Gruber, 2005). Как показано на рисунке, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики относятся к типичным структурам α -спиральных клубков мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикуле .

Основным компонентом коры головного мозга является кератиновая фаза белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой , слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в кортексе и комплексом клеточных мембран. Назначение сигналов и соответствующие шкалы длины показаны на рисунке.

Липиды в комплексе клеточных мембран

Комплекс клеточных мембран в основном состоит из моно- и бислоев липидов. Соответствующие особенности рассеяния соответствуют пластинчатой ​​периодичности около 45 Å и кольцам на расстоянии около 4.3 Å, характерная для порядка внутри слоев (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Обе эти особенности наблюдаются в двумерных рентгеновских данных всех людей в, как интенсивность кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкое кольцевидное рассеяние при ∼ 1,5 Å ^-1 в результате упорядочения липидов в слоях мембраны. Соответствующий дифракционный сигнал имеет максимум на оси q _z , что указывает на преимущественную ориентацию плоскости мембраны, параллельной поверхности волос.

Промежуточные нити в коре головного мозга

Кератиновые спирали организуются в промежуточные нити, структура и упаковка которых в плоскости волоса приводят к дополнительным сигналам рассеяния. Упаковка этих фибрилл путем связывания в макрофибриллы характеризуется дифракционной картиной рентгеновских лучей тремя экваториальными пятнами, расположенными примерно на 90, 45 и 27 Å (Busson, Engstrom & Doucet, 1999). Соответствующие сигналы наблюдаются в двумерных данных в. Однако точное положение элементов лучше всего определить в экспериментах по малоугловой дифракции (SAXS), которые предлагают значительно улучшенное разрешение и будут показаны ниже.Мы отмечаем, что аксиальная упаковка спиральных спиралей внутри кератиновых волокон в волосах приводит к появлению ряда тонких дуг вдоль меридиана ( z ). Обычно наблюдаемый сигнал на меридиане при 67 Å, ​​который возникает из-за смещения осей между молекулами вдоль микрофибриллы (Briki et al., 2000; Rafik, Doucet & Briki, 2004), не мог наблюдаться в наших экспериментах из-за релаксации. разрешение параллельного луча в этом направлении. Хотя особенности, наблюдаемые в экспериментах по рассеянию, хорошо известны, молекулярная архитектура промежуточных волокон все еще обсуждается (Rafik, Doucet & Briki, 2004).Обсуждаются суперспиральные катушки или модели с прямыми димерами с разным количеством катушек.

Три указанные выше особенности наблюдались у всех особей в. Основные молекулярные структуры будут количественно проанализированы в следующем разделе (Количественный анализ результатов рассеяния). Мы отмечаем, что в некоторых измерениях видны дополнительные особенности, в основном в широком кольце мембраны на уровне около 1,5 Å ^-1 , что указывает на различие в молекулярном составе комплекса клеточных мембран между людьми.Мы вернемся к этим различиям в Обсуждении.

Количественный анализ результатов рассеяния

Чтобы количественно определить положение соответствующих элементов рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокон и вдоль волокон волос ( q _z -ось). Полученные графики показаны на. В направлении вдоль оси волосяного волокна ( q _z ) есть два основных пика, которые были одинаковыми для всех испытуемых, один узкий пик около 5.0 Å и один более широкий пик около 4,3 Å.

Интегрирование данных двумерного рассеяния в экваториальной плоскости ( q _‖ ) (A) и вдоль оси волосков ( q _z ) (C) соответственно для всех предметы. Два сигнала, присутствующие у всех людей в экваториальной плоскости ( q _‖ ), соответствуют расстоянию между двумя спиральными спиралями 9,5 Å и между двумя липидными хвостами в коре клеточной мембраны 4,3 Å. Общий меридиональный сигнал вдоль длинной оси волос ( q _z ) при 5 Å соответствует α -спиралям, скручивающимся друг вокруг друга в спиральных спиралях.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q _‖ ), есть также два основных пика, согласованных между всеми испытуемыми, один узкий пик около 9,5 Å и один широкий пик около 4,3 Å. Полный профиль рассеяния хорошо описывался двумя профилями лоренцевых пиков (и фоном), положения которых показаны на рис. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å отлично согласуются с сигналами, полученными от кератиновых белков спиральной спирали (Pauling & Corey, 1950), как показано на рисунке.Широкий сигнал около 4,3 Å, присутствующий в обоих направлениях, обусловлен кольцевым рассеянием липидов в компоненте мембраны. Как показано на графике, имеется узкое распределение соответствующих масштабов длины со стандартными отклонениями 9,51 ± 0,07 Å и 5,00 ± 0,02 Å для кератиновых спиралей и 4,28 ± 0,08 Å для мембранного сигнала, что указывает на общие черты, наблюдаемые в все особи хорошо определены с небольшим разбросом по соответствующим молекулярным размерам.

Из-за больших масштабов длины сигналы от промежуточных волокон возникают при малых векторах рассеяния, показанных на.Профиль малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) хорошо соответствовал трем гауссовым пикам при 90, 45 Å и 27. Отметим, что третий пик наблюдался не во всех образцах волос. Соответствующие положения и распределения пиков показаны на рисунке. О пике 90 Å уже сообщалось в литературе как о расстоянии между промежуточными филаментами в человеческих волосах. Как далее разработали Рафик, Дусет и Брики (2004), эти пики соответствуют радиальным структурам промежуточных нитей и могут быть хорошо смоделированы, если предположить, что параллельные тетрамеры образованы двумя спиральными катушками с небольшим беспорядком в положениях и ориентациях, так как изображен на рисунке.Также здесь стандартные отклонения 90 ± 2 Å, 47 ± 2 Å, 27 ± 1 Å, как показано на рисунке, малы, что указывает на то, что организация промежуточных нитей на наномасштабе очень мало различается у разных людей.

Дифракционные особенности при малых углах рассеяния.

Малый диапазон q _‖ показан с увеличением на (A). Образцы большинства людей показали 3 отчетливых отражения при ∼90 Å, 46,5 Å и 27 Å, связанных со свойствами промежуточных кератиновых волокон (B).

Обсуждение

Все волосы, использованные в этом исследовании, были в естественном состоянии, собраны у здоровых людей и не подвергались химической обработке до экспериментов. Однако все люди регулярно использовали шампуни для очистки и дополнительные продукты, такие как кондиционеры, воск и гель. Эти продукты действуют в основном на поверхности волокна или рядом с ней, например, для удаления грязи с поверхности волос и, по-видимому, не влияют на внутреннюю структуру кератина, как будет обсуждаться ниже.

Об аномальном сигнале ранее сообщали James et al. (1999) в образцах волос пациентов с раком груди. Такой подход весьма интересен, поскольку сканирование образцов волос может использоваться как простой, недорогой и неинвазивный метод скрининга при диагностике рака. Джеймс и др. (1999) наблюдали кольцевой сигнал при 44,4 Å в положении сигнала ламеллярной плазматической мембраны и приписали этот сигнал наличию рака груди. Позднее Брики и др. Поставили под сомнение анализ и назначение.(1999) и Howell et al. (2000), которые наблюдали эту особенность в равной мере у здоровых и онкологических больных. Кольцевой сигнал 45 Å также присутствует в данных для всех людей, включенных в наше исследование, так что связь с раком груди, скорее всего, может быть исключена.

Общие структурные особенности по результатам рентгеновских экспериментов

На основе двумерных рентгеновских данных в и и анализа в и мы идентифицируем три особенности, присутствующие у всех людей. Эти сигналы связаны со спиралевидным расположением кератиновых белков в коре головного мозга , образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга и липидами в комплексе клеточных мембран волос.Статистический анализ соответствующих молекулярных размеров выявил довольно небольшое распределение между разными людьми. Эти общие свойства человеческих волос наблюдаются во всех волосах, независимо от пола, цвета или внешнего вида волос (как указано в) в пределах количества людей, включенных в это исследование.

Различия в рентгеновских данных между людьми наблюдались в широкоугольной области (WAXS) двумерных данных, что связано со свойствами компонента мембраны.показывает сравнение между людьми 3 и 4, чтобы проиллюстрировать эффект. Для упрощения сравнения исходные данные были разрезаны пополам и рекомбинированы, так что левая половина изображает индивидуум 3, а правая половина – индивидуум 4. В то время как сигналы от фазы белка спиральной спирали, диффузная кольцевая интенсивность от липидов в комплексе клеточной мембраны и у обоих индивидуумов наблюдаются сигналы под малым углом из-за образования промежуточных филаментов, у Субъекта 3 возникают дополнительные сигналы вокруг положения мембранного кольца.Практически идентичные модели наблюдаются в и, в то время как различия видны в; это будет подробно рассмотрено ниже.

Сравнение образцов волос.

(A) показывает сравнение между индивидуумами 3 и 4. В то время как оба образца демонстрируют общие черты, наблюдаются различия в области сигнала от комплекса клеточных мембран. (B) Сравнение между людьми 1 и 2, отцом и дочерью. Данные в (C) (люди 9 и 12) получены от однояйцевых близнецов. Данные в (D) были взяты от разнояйцевых близнецов (люди 10 и 11).В то время как разные люди в целом демонстрируют разные структуры мембран (A), особенности на (B) и (C) полностью совпадают. Разнояйцевые близнецы демонстрируют небольшие различия в характере их поведения на (D).

Дополнительные сигналы, наблюдаемые между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , могут быть отнесены к жирным кислотам, расположенным внутри плазматической мембраны комплекса клеточных мембран. Положение этих липидов внутри волос определяли с помощью синхротронной инфракрасной микроскопии (Kreplak et al., 2001a), обнаруживая соответствующие полосы CH ₂ и CH ₃ . Липидный компонент комплекса клеточной мембраны состоит из трех основных классов липидов: глицеролипидов (в основном фосфолипидов), стеринов и сфинголипидов (Furt, Simon-Plas & Mongrand, 2011). Наиболее распространенные виды липидов относятся к структурным липидам, до 80% которых составляют фосфолипиды фосфохолина (PC) и фосфоэтаноламина (PE).

Положение и ширина широкой кольцевой интенсивности, наблюдаемой во всех образцах, хорошо согласуются с пиками липидной корреляции, полученными для одно- и многокомпонентных фосфолипидных жидких липидных мембран (Kučerka et al., 2005; Petrache et al., 1998; Куч, Тристрам-Нэгл и Нэгл, 2006; Rheinstädter et al., 2004; Райнштедтер, Зейдел и Салдитт, 2007 г .; Rheinstädter et al., 2008; Пан и др., 2008; Schneggenburger et al., 2011; Harroun et al., 1999) и дифракции, наблюдаемой в плазматических мембранах (Welti et al., 1981; Poinapen et al., 2013). Широкий пик корреляции является контрольным признаком жидкообразной неупорядоченной мембранной структуры. Это связано с упаковкой липидных хвостов в ядре гидрофобной мембраны, где липидные ацильные цепи образуют плотно упакованную структуру с гексагональной симметрией (плоская группа p6) (Armstrong et al., 2013). Расстояние между двумя ацильными хвостами определено как aT = 4π / 3qT (Mills et al., 2008; Barrett et al., 2012; Barrett et al., 2013), где q _T – положение пик мембранной корреляции. Среднее расстояние ближайших соседей между двумя липидными хвостами рассчитывается от положения пика до 4,97 Å. Отметим, что интенсивность неупорядоченного компонента мембраны не распределена изотропно по окружности, что свидетельствовало бы о неориентированной, изотропной фазе мембраны.Соответствующий сигнал рассеяния имеет максимум по оси q _z , что указывает на то, что большинство мембран ориентировано параллельно поверхности волос.

Дополнительные узкие компоненты между примерно 1,34 Å ^-1 и 1,63 Å ^-1 , которые наблюдаются в некоторых образцах волос, согласуются со структурными особенностями, описанными в липидных мембранах различного состава. Пик корреляции при ∼1,5 Å ^-1 был обнаружен в гелевой фазе насыщенных фосфолипидных мембран, таких как DMPC (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) и DPPC (дипальмитоил-sn-глицеро-3-фосфохолин) ( Тристрам-Нэгл и др., 2002; Кацарас и др., 1995; Rheinstädter et al., 2004). Сообщалось, что ненасыщенные липиды упорядочиваются в структуре с немного большими расстояниями между хвостами ближайших соседей, что приводит к пику корреляции ацильной цепи при ∼1,3 Å ^-1 , как сообщалось для DOPC и POPC (Mills et al., 2009), для экземпляр. Сообщалось, что липиды, такие как димиристоилфосфатидилэтаноламин (DMPE) и заряженный DMPS (димиристоил-sn-глицеро-3-фосфосерин) с меньшими головными группами, упорядочиваются в более плотно упакованные структуры (Rappolt & Rapp, 1996).Соответствующие пики корреляции ацильной цепи наблюдались при значениях Q ∼ 1,65 Å ^-1 . Таким образом, наблюдаемые различия в дифрактограммах рентгеновских лучей у разных людей могут быть связаны с различиями в молекулярном составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Важную роль в этом составе играет генетика.

Генетическое сходство

Некоторые субъекты имеют генетические отношения в рамках пула субъектов.В частности, субъекты 1 и 2 – дочь и отец, субъекты 10 и 11 – разнояйцевые близнецы, а субъекты 9 и 12 – однояйцевые близнецы. Соответствующие дифракционные данные показаны на, и. Хотя в целом было обнаружено, что дифракционные картины в мембранной области различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов демонстрируют идентичные картины в пределах разрешающей способности нашего эксперимента.

Интересно отметить, что различия наблюдаются для разнояйцевых близнецов в.Этот вывод согласуется с ожиданием, что люди со схожей генетикой будут иметь схожие физические черты, такие как структура волос. Идентичные или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития, и у них 100% общего генетического материала. Братские или дизиготные близнецы развиваются в результате оплодотворения двух разных яйцеклеток, и в среднем они разделяют только 50% своей ДНК (Nussbaum et al., 2007).

Как и ожидалось, идентичная пара близнецов показывает почти идентичную структуру волос, тогда как братская пара демонстрирует явные различия.Потомство получает половину своих хромосом от каждого родителя, поэтому генетическое сходство между родительской и дочерней парой примерно такое же, как у разнояйцевых близнецов (Creasy et al., 2013). Поэтому удивительно, что пара отца и дочери имеет значительно больше общего, чем пара разнояйцевых близнецов. Это можно объяснить тем фактом, что выражение сложного признака, такого как структура волос, будет зависеть от паттерна наследования многих генов, определяющих фенотип, например, от того, являются ли они доминантными или рецессивными признаками.Генетическое сходство не гарантирует идентичную структуру волос, и, аналогично, генетическая изменчивость не гарантирует различий. Хотя мы можем сообщить об этом открытии, небольшое количество связанных образцов исключает более подробный и количественный анализ этого эффекта в настоящее время.

Сравнение отца и дочери также позволяет изучить влияние средств по уходу за волосами, таких как шампунь и кондиционер, на молекулярную структуру волос. В то время как Субъект 2 (отец) использует мыло и гель для душа, чтобы очистить кожу головы и волосы, Субъект 1 (дочь) регулярно пользуется шампунем и кондиционером.Идентичные рентгеновские сигналы указывают на то, что эти продукты не влияют на молекулярную структуру кератина и мембран глубоко внутри волос (в пределах разрешающей способности нашего эксперимента).

Отметим, что для максимизации рассеянных сигналов вся прядь волос была освещена в наших экспериментах с использованием относительно большого пучка рентгеновских лучей. Микропучковая дифракция рентгеновских лучей на синхротронных источниках, в которой используются пучки малого размера микрометра (Iida & Noma, 1993; Busson, Engstrom & Doucet, 1999; Kreplak et al., 2001b; Охта и др., 2005; Kajiura et al., 2006), дает высокое пространственное разрешение. Освещая отдельные части волос, появление наблюдаемых нами сигналов может быть определено в зависимости от их местоположения в волосах в будущих экспериментах.

Выводы

Мы изучили молекулярную структуру волос нескольких людей с помощью дифракции рентгеновских лучей. Образцы волос были взяты у 12 здоровых людей с различными характеристиками, такими как пол, внешний вид и генетическое родство.В эксперименте наблюдались сигналы, соответствующие фазе спиральной спирали молекул кератина, образованию промежуточных филаментов в коре головного мозга и от молекул липидов в комплексе клеточных мембран. Соответствующие сигналы наблюдались у всех людей, независимо от пола или внешнего вида волос, таких как цвет или волнистость, в пределах разрешающей способности этого эксперимента. Учитывая небольшое стандартное отклонение молекулярных размеров этих общих характеристик, аномалии, возможно, связанные с определенными заболеваниями, должны быть легко обнаружены.

Хотя все образцы волос демонстрировали эти общие черты, между людьми наблюдались различия в составе плазматической мембраны в комплексе клеточных мембран. Генетика, по-видимому, играет важную роль в свойствах этих мембран, поскольку генетически похожие образцы волос от отца и дочери и однояйцевых близнецов показали идентичный рисунок, а волосы от разнояйцевых близнецов – нет.

Дополнительная информация

Дополнительная информация 1

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов:

Двумерные рентгеновские данные всех 12 субъектов, исследованных в этом исследовании.Данные представлены в виде двухмерных матриц в формате Matlab («subject1.mat»). Файл «PeerJ_load_data.m» представляет собой макрос Matlab для загрузки и визуализации двухмерных наборов данных.

Заявление о финансировании

Это исследование финансировалось Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады (NSERC), Национальным исследовательским советом Канады (NRC), Канадским фондом инноваций (CFI) и Министерством экономического развития и инноваций Онтарио. . MCR является лауреатом премии «Ранние исследователи» провинции Онтарио.Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Дополнительная информация и заявления

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

Фей-Чи Ян, Ючен Чжан и Майкель К. Райнштедтер разработали и спланировали эксперименты, выполнили эксперименты, проанализировали данные, предоставили реагенты / материалы / инструменты для анализа, написали документ, подготовили рисунки и / или таблицы , рассмотрел черновики статьи.

Human Ethics

Следующая информация была предоставлена ​​относительно этических разрешений (например, утверждающий орган и любые ссылочные номера):

Hamilton Integrated Research Ethics Board (HIREB) под номером утверждения 14-474-T.

Ссылки

Armstrong et al. (2013) Армстронг К.Л., Марквардт Д., Дис Х, Кучерка Н., Ямани З., Харроун Т.А., Катсарас Дж., Ши А.С., Райнштедтер М.С. Наблюдение высокоупорядоченных доменов в мембранах с холестерином. PLOS ONE. 2013; 8: e619.DOI: 10.1371 / journal.pone.0066162. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Sisson (1935) Astbury WT, Sisson WA. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. III. Конфигурация молекулы кератина и ее ориентация в биологической клетке. Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки. 1935; 150: 533–551. DOI: 10.1098 / rspa.1935.0121. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Street (1932) Astbury WT, Street A.Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. I. Общие. Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1932; 230: 75–101. DOI: 10.1098 / RSTA.1932.0003. [CrossRef] [Google Scholar] Astbury & Woods (1934) Astbury W.T., Woods HJ. Рентгеновские исследования структуры волос, шерсти и связанных с ними волокон. II. Молекулярная структура и эластичные свойства кератина волос. Философские труды Лондонского королевского общества.Серия A, содержащая статьи математического или физического характера. 1934; 232: 333–394. DOI: 10.1098 / rsta.1934.0010. [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2012) Барретт М.А., Чжэн С., Рошанкар Г., Олсоп Р.Дж., Белангер РКР, Хюнь С., Кучерка Н., Райнштедтер М.С. Взаимодействие аспирина (ацетилсалициловой кислоты) с липидными мембранами. PLoS ONE. 2012; 7: e619. DOI: 10.1371 / journal.pone.0034357. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Barrett et al. (2013) Барретт М.А., Чжэн С., Топпозини Л.А., Олсоп Р.Дж., Дис Х, Ван А., Яго Н., Мур М., Райнштедтер М.С.Растворимость холестерина в липидных мембранах и образование несмешивающихся холестериновых бляшек при высоких концентрациях холестерина. Мягкая материя. 2013; 9: 9342–9351. DOI: 10.1039 / c3sm50700a. [CrossRef] [Google Scholar] Берг, Розенберг и Эсбери (1972) Берг Б.О., Розенберг С.Х., Эсбери А.К. Гигантская аксональная нейропатия. Педиатрия. 1972: 49: 894–899. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (2000) Briki F, Busson B, Kreplak L, Dumas P, Doucet J. Исследование биологической ткани от атомного до макроскопического масштаба с использованием синхротронного излучения: пример волос.Клеточная и молекулярная биология. 2000; 46: 1005–1016. [PubMed] [Google Scholar] Briki et al. (1999) Briki F, Busson B, Salicru B, Estève F, Doucet J. Диагностика рака груди с использованием волос. Природа. 1999; 400: 226–226. DOI: 10,1038 / 22244. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Busson, Engstrom & Doucet (1999) Busson B., Engstrom P, Doucet J. Существование различных структурных зон в кератиновых тканях, выявленных с помощью микродифракции рентгеновских лучей. Журнал синхротронного излучения. 1999; 6: 1021–1030. DOI: 10.1107 / S090937.[CrossRef] [Google Scholar] Cohen & Parry (1994) Cohen C, Parry DA. Альфа-спиральные спиральные катушки: больше фактов и более точные прогнозы. Наука. 1994; 263: 488–489. DOI: 10.1126 / science.82. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Creasy et al. (2013) Creasy RK, Resnik R, Iams JD, Lockwood CJ, Greene MF, редакторы. Медицина матери и плода Кризи и Резника: принципы и практика. У. Б. Сондерс; 2013. [Google Scholar] Crewther et al. (1983) Crewther WG, Dowling LM, Steinert PM, Parry DAD. Структура промежуточных волокон.Международный журнал биологических макромолекул. 1983; 5: 267–274. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (83)-5. [CrossRef] [Google Scholar] Крик (1952) Крик FHC. Является ли α -кератин спиральной катушкой? Природа. 1952; 170: 882–883. DOI: 10.1038 / 170882b0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Franbourg et al. (2003) Franbourg A, Hallegot P, Baltenneck F, Toutaina C, Leroy F. Текущие исследования этнических волос. Журнал Американской академии дерматологии. 2003; 48: S115 – S119. DOI: 10.1067 / mjd.2003.277. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др.(1986) Fraser RD, MacRae TP, Parry DA, Suzuki E. Промежуточные волокна в альфа-кератинах. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1986; 83: 1179–1183. DOI: 10.1073 / pnas.83.5.1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Fraser, MacRae & Rogers (1962) Fraser RD, MacRae TP, Rogers GE. Молекулярная организация в альфа-кератине. Природа. 1962; 193: 1052–1055. DOI: 10.1038 / 1931052a0. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Фрейзер и др. (1988) Fraser RDB, MacRae TP, Sparrow LG, Parry DAD.Дисульфидная связь в α -кератине. Международный журнал биологических макромолекул. 1988. 10: 106–112. DOI: 10.1016 / 0141-8130 (88)-7. [CrossRef] [Google Scholar] Фурт, Саймон-Плас и Монгранд (2011) Фурт Ф, Саймон-Плас Ф, Монгранд С. В: Плазматическая мембрана растений. Мерфи А.С., Шульц Б., Пер В., редакторы. т. 19. Берлин, Гейдельберг: Springer-Verlag; 2011. С. 57–85. (Монографии по растительной клетке). [CrossRef] [Google Scholar] Harroun et al. (1999) Харроун Т.А., Хеллер В.Т., Вайс Т.М., Ян Л., Хуанг Х.В.Экспериментальные доказательства гидрофобного соответствия и мембранно-опосредованных взаимодействий в липидных бислоях, содержащих грамицидин. Биофизический журнал. 1999; 76: 937–945. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (99) 77257-7. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Хауэлл и др. (2000) Хауэлл А., Гроссманн Дж. Г., Чунг К. С., Канби Л., Д. Гарет Р. Э., Хаснайн СС. Можно ли использовать волосы для скрининга рака груди? Журнал медицинской генетики. 2000. 37: 297–298. DOI: 10.1136 / jmg.37.4.297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Иида и Нома (1993) Иида А., Нома Т.Синхротронный рентгеновский мупрозонд и его применение для анализа волос человека. Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция B: Взаимодействие пучков с материалами и атомами. 1993. 82: 129–138. DOI: 10.1016 / 0168-583X (93) 95092-J. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс (2001) Джеймс В. Важность хороших изображений при использовании волос для выявления рака груди. Журнал медицинской генетики. 2001; 38: e619. DOI: 10.1136 / jmg.38.5.e16. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Вероника и Амемия (1998) Джеймс В.Дж., Амемия Ю.Промежуточная упаковка филаментов в α -кератин иглы ехидны. Текстильный исследовательский журнал. 1998. 68: 167–170. DOI: 10.1177 / 004051759806800303. [CrossRef] [Google Scholar] Джеймс и др. (1999) Джеймс В., Кирсли Дж., Ирвинг Т., Амемия Ю., Куксон Д. Использование волос для выявления рака груди. Природа. 1999; 398: 33–34. DOI: 10,1038 / 17949. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kajiura et al. (2006) Kajiura Y, Watanabe S, Itou T., Nakamura K, Iida A, Inoue K, Yagi N, Shinohara Y, Amemiya Y. Структурный анализ отдельных волокон человеческого волоса путем сканирования саксофонов с микропучками.Журнал структурной биологии. 2006. 155: 438–444. DOI: 10.1016 / j.jsb.2006.04.008. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Katsaras et al. (1995) Katsaras J, Raghunathan VA, Dufourc EJ, Dufourcq J. Доказательства двумерной молекулярной решетки в двухслойных dppc-слоях субгелевой фазы. Биохимия. 1995; 34: 4684–4688. DOI: 10.1021 / bi00014a023. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001a) Kreplak L, Briki F, Duvault Y, Doucet J, Merigoux C., Leroy F, Lévêque JL, Miller L, Carr GL, Williams GP, Dumas P.Профилирование липидов в поперечных срезах волос европеоидов и афроамериканцев с помощью синхротронной инфракрасной микроспектрометрии. Международный журнал косметической науки. 2001a; 23: 369–374. DOI: 10.1046 / j.0412-5463.2001.00118.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kreplak et al. (2001b) Kreplak L, Mérigoux C, Briki F, Flot D, Doucet J. Исследование структуры кутикулы человеческого волоса с помощью микродифракции: прямое наблюдение за набуханием комплекса клеточных мембран. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Структура белка и молекулярная энзимология.2001b; 1547: 268–274. DOI: 10.1016 / S0167-4838 (01) 00195-9. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kučerka et al. (2005) Kučerka N, Liu Y, Chu N, Petrache HI, Tristram-Nagle S, Nagle JF. Структура полностью гидратированной жидкой фазы липидных бислоев DMPC и DLPC с использованием рассеяния рентгеновских лучей от ориентированных многослойных массивов и от однослойных везикул. Биофизический журнал. 2005; 88: 2626–2637. DOI: 10.1529 / biophysj.104.056606. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Kuč, Tristram-Nagle & Nagle (2006) Kučerka N, Tristram-Nagle S, Nagle JF.Рассмотрим структуру полностью гидратированных бислоев жидкой фазы dppc. Биофизический журнал. 2006; 90: L83 – L85. DOI: 10.1529 / biophysj.106.086017. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Лупас и Грубер (2005) Лупас А.Н., Грубер М. Структура α -спиральных спиральных катушек. Достижения в химии белков. 2005; 70: 37–38. [PubMed] [Google Scholar] Мерсер (1953) Мерсер Э. Х. Неоднородность кератиновых волокон. Текстильный исследовательский журнал. 1953; 23: 388–397. DOI: 10.1177 / 004051755302300603.[CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2009) Миллс Т.Т., Хуанг Дж., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Влияние холестерина и ненасыщенного липида dopc на упаковку цепи насыщенных двухслоев dppc гель-фазы. Общая физиология и биофизика. 2009. 28: 126–139. DOI: 10.4149 / gpb_2009_02_126. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Миллс и др. (2008) Миллс Т.Т., Тумбес Г.Е., Тристрам-Нэгл С., Смилджис Д.-М., Фейгенсон Г.В., Нэгл Дж.Ф. Параметры порядка и площади в жидкофазных липидных мембранах с использованием широкоугольного рассеяния рентгеновских лучей.Биофизический журнал. 2008. 95: 669–681. DOI: 10.1529 / biophysj.107.127845. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Nussbaum et al. (2007) Нуссбаум Р.Л., Макиннес Р.Р., Уиллард Х.Ф., Хамош А. Принципы молекулярного заболевания: уроки гемоглобинопатий. Генетика Томпсона и Томпсона в медицине. 2007; т. 6: 181–202. [Google Scholar] Охта и др. (2005) Охта Н., Ока Т., Иноуэ К., Яги Н., Като С., Хатта И. Структурный анализ комплекса клеточных мембран волосяного волокна с помощью дифракции рентгеновских лучей микролучей.Журнал прикладной кристаллографии. 2005. 38: 274–279. DOI: 10.1107 / S002188980403403X. [CrossRef] [Google Scholar] Пан и др. (2008) Пэн Дж., Миллс ТТ, Тристрам-Нэгл С., Нэгл Дж. Ф. Холестерин не универсально возмущает липидные бислои. Письма с физическим обзором. 2008; 100: 198103. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.100.198103. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1950) Полинг Л., Кори РБ. Две спиральные конфигурации полипептидной цепи с водородными связями. Журнал Американского химического общества.1950; 72: 5349–5349. DOI: 10.1021 / ja01167a545. [CrossRef] [Google Scholar] Полинг и Кори (1951) Полинг Л., Кори РБ. Структура волос, мышц и связанных с ними белков. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1951; 37: 261–271. DOI: 10.1073 / pnas.37.5.261. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Petrache et al. (1998) Petrache HI, Gouliaev N, Tristram-Nagle S, Zhang R, Suter RM, Nagle JF. Межслойные взаимодействия от рассеяния рентгеновских лучей высокого разрешения.Physical Review E. 1998; 57: 7014–7024. DOI: 10.1103 / PhysRevE.57.7014. [CrossRef] [Google Scholar] Пинто и др. (2014) Пинто Н., Ян Ф. К., Негиши А., Райнштедтер М.С., Гиллис Т.Э., Фадж Д.С. Самосборка увеличивает прочность волокон, сделанных из белков промежуточных филаментов виментина. Биомакромолекулы. 2014; 15: 574–581. DOI: 10.1021 / bm401600a. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Poinapen et al. (2013) Poinapen D, Toppozini L, Dies H, Brown DCW, Rheinstädter MC. Статические магнитные поля улучшают порядок липидов в плазматической мембране нативных растений.Мягкая материя. 2013; 9: 6804–6813. DOI: 10.1039 / c3sm50355k. [CrossRef] [Google Scholar] Rafik, Doucet & Briki (2004) Rafik MEr, Doucet J, Briki F. Архитектура промежуточного волокна, определенная с помощью моделирования дифракции рентгеновских лучей твердого α -кератина. Биофизический журнал. 2004. 86: 3893–3904. DOI: 10.1529 / biophysj.103.034694. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Рандебрук (1964) Рандебрук Р.Дж. Neue erkenntnisse über den morphologischen aufbau des menschlichen haares. Журнал Общества химиков-косметологов.1964; 15: 691–706. [Google Scholar] Раппольт и Рапп (1996) Раппольт М., Рапп Г. Одновременная дифракция мало- и широкоугольного рентгеновского излучения во время основного перехода димиристоилфосфатидилэтаноламина. Berichte der Bunsengesellschaft и Physikalische Chemie. 1996; 7: 1153–1162. DOI: 10.1002 / bbpc.19961000710. [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2008) Rheinstädter MC, Das J, Flenner EJ, Brüning B, Seydel T, Kosztin I. Движущая когерентность в жидких фосфолипидных мембранах. Письма с физическим обзором.2008; 101: 248106. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.101.248106. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter et al. (2004) Rheinstädter MC, Ollinger C, Fragneto G, Demmel F, Salditt T. Коллективная динамика липидных мембран изучается методом неупругого рассеяния нейтронов. Письма с физическим обзором. 2004; 93: 108107. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.93.108107. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Rheinstädter, Seydel & Salditt (2007) Rheinstädter MC, Seydel T, Salditt T. Наносекундные молекулярные релаксации в липидных бислоях изучаются с помощью рассеяния нейтронов с высоким энергетическим разрешением и дифракции на месте.Physical Review E. 2007; 75: 011907. DOI: 10.1103 / PhysRevE.75.011907. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Роббинс (2012) Роббинс CR. Химическое и физическое поведение человеческого волоса. 5-е изд. Нью-Йорк: Спрингер; 2012. [Google Scholar] Rogers (1959) Rogers GE. Электронная микроскопия шерсти. Журнал исследований ультраструктуры. 1959; 2: 309–330. DOI: 10.1016 / S0022-5320 (59) 80004-6. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Schneggenburger et al. (2011) Schneggenburger P, Beerlink A, Weinhausen B, Salditt T, Diederichsen U.Пептидные модельные спирали в липидных мембранах: вставка, позиционирование и липидный ответ на агрегацию, изученный с помощью рассеяния рентгеновских лучей. Европейский биофизический журнал. 2011; 40: 417–436. DOI: 10.1007 / s00249-010-0645-4. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Swift & Smith (2001) Swift JA, Smith JR. Микроскопические исследования эпикутикулы кератиновых волокон млекопитающих. Журнал микроскопии. 2001; 204: 203–211. DOI: 10.1046 / j.1365-2818.2001.00957.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Тристрам-Нэгл и др.(2002) Тристрам-Нэгл С., Лю Ю., Леглейтер Дж., Нэгл Дж. Ф. Структура dmpc гелевой фазы определена методом рентгеновской дифракции. Биофизический журнал. 2002; 83: 3324–3335. DOI: 10.1016 / S0006-3495 (02) 75333-2. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ward & Lundgren (1954) Ward WH, Lundgren HP. Формирование, состав и свойства кератинов. Достижения в химии белков. 1954. 9: 243–297. [PubMed] [Google Scholar] Welti et al. (1981) Велти Р., Ринтул Д.А., Гудсайд-Залдуондо Ф., Фелдер С., Зильберт Д.Ф.Гелеобразный фосфолипид в плазматической мембране истощенных стеролом клеток lm мыши. Журнал биологической химии. 1981; 256: 7528–7535. [PubMed] [Google Scholar] Wilk, James & Amemiya (1995) Wilk KE, James VJ, Amemiya Y. Структура промежуточных волокон человеческого волоса. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – общие субъекты. 1995; 1245: 392–396. DOI: 10.1016 / 0304-4165 (95) 00111-5. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] Ян и др. (2014) Ян Ф.К., Петерс Р.Д., Дис Х., Райнштедтер М.С. Иерархическая, самоподобная структура в естественном загоне кальмаров.Мягкая материя. 2014; 10: 5541–5549. DOI: 10.1039 / C4SM00301B. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Аминокислотный состав волос кожи головы человека как биометрический классификатор и следствие

Анализ стержня волоса становится все более важным в ряде приложений судебной медицины. Кератин является ключевым компонентом волос на коже головы человека и состоит из 21 известной аминокислоты, хотя и в очень разных пропорциях. Метод определения аминокислот включал кислотный гидролиз белка с последующей триметилсилильной (ТМС) дериватизацией аминокислот и последующее количественное определение с использованием газовой хроматографии / масс-спектрометрии (ГХ / МС).Был проанализирован аминокислотный состав волос на коже головы 64 человек из Иордании (33 мужчины и 31 женщина) в возрасте от 1 до 77 лет. Статистические сравнения между классификационными группами были основаны на содержании 14 обильных и кислотоустойчивых аминокислот и включали классификацию волос с помощью системы построения нечетких правил (FuRES). При использовании перекрестной проверки «один-один-один-один-нет» коэффициент классификации FuRES составил 94% для пола, 83% для возрастной группы и 61% для региона происхождения.Для прогнозирования пола на основе концентрации аминокислот в волосах незаменимые аминокислоты Phe и Thr дали наиболее значимые различия по сравнению со статистикой F (, т.е. , отношение межгрупповых и внутригрупповых вариаций), поэтому они самый разборчивый по половому признаку. Основываясь на том же анализе волос, заменимые аминокислоты Gly и Ala дают наибольшие оценки нагрузки, классифицируя субъектов на две произвольные возрастные группы: <49 и> 49 лет. Для классификации региона происхождения аминокислоты Cys и Tyr имели самые высокие оценки нагрузки в правилах классификации и, следовательно, были наиболее различающимися.Методы, разработанные в этой статье, могут дополнить существующие методы анализа волос, которые включают физическое обследование и анализ геномной или митохондриальной ДНК.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент.