Состав кератина для волос: Кератин для волос. Все, что надо знать о кератине

Кератин J.Hair JKeratin

Состав JHair для кератинового выпрямления: выпрямляет даже афро волосы. Все, как вы любите.

Для вашего клиента это:

— прямые, гладкие, блестящие и шелковистые волосы в срок на 6-ть месяцев;

— 6-ть месяцев стойкости;

— 100 % выпрямленных волос, даже афротип волос выпрямляется очень легко и просто;

— убирает нежелательный объем на 80-100 %.

Для вас это:

— приятная и комфортная работа с составом;

— он не имеет резкого запаха;

— легко наносится;

— легко тянется;

— Ph данного состава 2,7

Данный состав работает совместно с серией продуктов Mast Havе, а именно шампунь глубокой очистки и завершающая маска.

Состав J.Hair выпускается двух размеров

— 120 мл

— 480 мл

Маленького флакона 120 мл. хватит для ознакомления с продуктом, его будет вполне достаточно, чтобы понять все его прелести, почему именно он и в чем его особенность. Его хватает до 3-х процедур на среднюю длину и густоту волос.

Большой флакон, это полноценный комплект. Его хватит порядком до 10-ти процедур.

Данный продукт очень приятен по составу, в него входит:

1. Масло миндаля;

2. Экстракт кофе Арабика;

3. Гидролизованный шелк;

4. Комплексы аминокислот, которые укрепят волосы ваших клиенток, защитят от вредных воздействий окружающей среды, увлажнят и напитают волосы, добавив им блеска.

Укладывая волосы феном, не потребуется много времени. Укладка займет несколько минут.

Стоимость:

Комплект 480 мл. 5250р. (Стоимость состава 480 мл. 3900р)

Комплект 120 мл. 1925р. (Стоимость состава 120 мл. 1250р.)

Посмотрите видео «Инструкция кератиновое выпрямление волос J.HAIR»

ИНСТРУКЦИЯ кератиновое выпрямление волос

1. Промываем волосы шампунем глубокой отчистки Must Have два раза. Оставьте пену шампуня на волосах на 2-3 минуты.

2. Промойте волосы обильно водой. Затем высушите феном на 100%, не используя расческу.

3. Нанесите на волосы кератиновый состав Plastic Hair, начиная с затылочной зоны, отступая от кожи головы на 1-2 сантиметра.

4. Прочешите волосы расческой с мелкими зубьями, убирая излишки состава. Для глубокого проникновения кератина следует выдержать состав на волосах 20 минут после обработки последней пряди.

5. Высушите волосы на 100%, используя расческу и фен (сушим волосы теплым или холодным воздухом). Затем разделите волосы на четыре зоны. Начиная с затылочной зоны, приступите к выпрямлению утюгом. Вытягивайте волосы тонкими прядками, по 7-10 раз каждую ( в зависимости от структуры волоса).

Температура утюжка:

180 ◦С – тонкие, ослабленные волосы;

210 ◦С – нормальные, окрашенные волосы;

230 ◦С – жесткие, натуральные волосы.

6. Дайте волосам остыть после выпрямления 15 минут или остудите их холодным воздухом фена. Затем промойте их теплой водой без использования шампуня и нанесите маску для волос Must Have. Держите ее на волосах 10 минут, потом смойте водой.

7. Высушите волосы феном и сделайте укладку.

что это такое? Состав средства для волос и особенности процедуры. Сколько держится и как смыть его? Отзывы

Средства для волос

Многие рано или поздно сталкиваются с проблемами поврежденных волос. На это могут быть самые разные причины. Кератин для волос может стать их решением. Также с его помощью локоны можно выпрямить. Такая процедура стала очень популярной, потому что позволяет одновременно добиться гладкости прядей и их оздоровления.

Что такое?

Кератин – это вид природного белка, который при должной работе организма вырабатывается им самостоятельно. Главные задачи этого вещества в отношении волос:

• защита локонов от механических повреждений;
• предотвращение их выпадения и ломкости;
• защита от образования секущихся кончиков;
• придание волосам эластичности и сохранение их прочности;
• здоровый внешний вид, блеск.

Кератин для косметических целей добывается из овечьей шерсти и входит в состав различных профессиональных и уходовых средств, которые призваны восстановить поврежденные локоны.

Отличительной особенностью кератина и его главным достоинством являются небольшие размеры молекул. Поэтому он легко проникает внутрь волоса, заполняет его и способствует восстановлению не поверхностно, а изнутри.

Состав

Природный кератин имеет разнообразный состав, но самыми ценными его составляющими являются сам белок и аминокислотный комплекс, в их числе цистин, цистеин, глицин, аланин. Белок является основой кератина, а аминокислоты наделяют его способностью принимать любое состояние – жидкое, твердое, мягкое, плотное.

Цистин, входящий в кератин, отвечает за жесткость. Именно он обеспечивается волосам прочность и защищает их от ломкости. Цистеин способствует созданию коллагена и улучшает эластичность волос. Здоровая эластичность предотвращает повреждение волос.

В состав косметических средств входит гидролизированный кератин. Молекулы такого вещества в ходе химической обработки расщепляются на более мелкие без ущерба их восстановительным способностям, что наделяет их возможностью растворяться в воде.

Таким образом, кератин с легкостью попадает в волосы и воздействует на них изнутри: увлажняет локоны, смягчает их и предотвращает спутывание.

Плюсы и минусы

Несмотря на обилие плюсов, кератин все-таки имеет свои отрицательные стороны. И прежде чем принимать решение о проведении такой процедуры с локонами, стоит ознакомиться со всей информацией.

Главным плюсом является то, что кератин – природное вещество. Если по какой-то причине нарушается выработка кератина, волосы становятся ломкими и сухими, кончики начинают сечься. А восполнение нехватки кератина дает заметный результат уже после первой процедуры.

Кератин действует на волос изнутри и убирает нежелательную сухость, увлажняет и способствует созданию защитного слоя. Снаружи этот слой защищает волосы от любого внешнего воздействия и предотвращает возможные механические повреждения. В том числе этот слой защищает волосы от термического воздействия, не давая плойке и фену пересушивать волосы.

С помощью кератина можно не только восстановить волосы, но и выпрямить их.

Локоны становятся мягкими, послушными и поддаются любой укладке. Для тех, кто страдает от непослушных, вьющихся, волнистых или кудрявых волос, кератин может стать спасением. Процедура имеет долговременный эффект. Также при любом другом выпрямлении локонов они могут быть повреждены химическим составом, и в таком случае корни отрастают более здоровыми и блестящими, что очень контрастирует с остальными волосами. В случае с кератином такого контраста между отросшими корнями не будет.

После кератина волосы на ощупь становятся мягкими уже после первой процедуры. Кератин может восстановить пересушенные пряди даже после окрашивания или завивки и вернуть им живой вид.

Некоторые косметические средства, используемые для кератинизации волос, обладают накопительным эффектом. С каждой новой процедурой волосы будут выглядеть лучше. Поэтому на этот момент стоит обратить внимание при выборе продукта.

Кератин является экономичным средством. Если говорить о домашнем использовании, одной бутылочки хватит не на один раз. При этом результат есть уже после первой процедуры, а повторять ее нужно не чаще, чем один раз в 2-3 месяца. Одной бутылки средства хватит примерно на 4-5 процедур. Это не окончательная цифра, потому что многое зависит от частоты повторения процедур, степени повреждения, длины локонов.

Если говорить о минусах, то одним из самых весомых является то, что в состав косметических средств на основе кератина входит формальдегид. Он используется в качестве консерванта. В средствах он содержится в небольших количествах. Но процедуры с кератином все равно противопоказаны беременным и кормящим женщинам.

Как и любое другое химическое средство, кератин может вызывать аллергическую реакцию. Перед употреблением стоит проверить личную переносимость средства: до проведения процедуры нанесите немного средства на кожу. Тест лучше проводить в течение 12 часов. По истечении этого срока можно оценить, есть аллергия или нет.

Присутствует и элемент личного восприятия. Некоторым не нравится запах состава, его консистенция, может не устраивать форма выпуска, удобство использования флакона или нанесения на волосы. Это все субъективно, поэтому стоит опираться в таких вопросах на свое собственное мнение.

Некоторые пользователи утверждают, что кератиновое выпрямление портит локоны. Но зачастую портит не сам кератин, а некачественно проведенная процедура. Выпрямление происходит под действием высокой температуры. Если мастер, выполняющий процедуру, не нанесет на прядь достаточное количество раствора, есть риск сжечь волосы. Поэтому такую процедуру лучше проводить у проверенных специалистов или обращать внимание на качество обработки прядей при проведении ее дома.

После процедур с использованием кератина нужно использовать бессульфатные шампуни. Они дороже, чем обычные, но их использование является обязательным условием долговременного сохранения эффекта от процедуры. Сульфатные шампуни вымывают весь кератин из волос, и эффект быстро теряется.

Процедуры с кератином нужно с аккуратностью использовать на тонкие волосы. Он утяжеляет их и может привести к повешенному выпадению. Также побочным эффектом может стать жирность волос.

Окрашенные волосы во время процедуры с кератином могут изменить свой цвет на несколько тонов. Это является следствием использования глубоко очищающего шампуня и заполнения волосков кератином. Перед последующим окрашиванием нужно обязательно поставить в известность мастера о том, что было проведено кератиновое выпрямление или процедура восстановления волос на основе кератина. Тогда мастер сможет подобрать вам подходящую краску и провести окрашивание так, чтобы избежать возможных неприятных результатов.

Также некоторые относят к минусам кератинового восстановления сложность процедуры, неважно, где она проводится: в домашних условиях или в салоне. Но в противовес этому мнению многие пользователи считают ее достаточно простой с учетом того результата, который она дает в итоге. В этом случае стоит изучить вопрос кератинизации вопрос перед проведением процедуры и решить для себя – подходит она или нет.

Форма выпуска

Существует большой выбор средств для использования дома или в салоне, в состав которых входит кератин.

Самые популярные средства для домашнего использования – это шампуни, бальзамы, маски, сыворотки и спреи, а также краска для волос. Подобные продукты можно найти в магазинах или аптеках. Каждый продукт отличается своим способом применения, который обязательно расписан в инструкции. В такие средства для бытового использования часто добавляют витамины и минералы для дополнительного оздоровления волос.

Использование уходовых косметических средств обычно не дает такого же мгновенного эффекта, как кератиновое восстановление в салоне. Многие из подобных средств нужно использовать постоянно или курсом – они имеют накопительный эффект. Кератин в процессе использования накапливается в локонах и со временем делает их более увлажненными, послушными, мягкими и ухоженными.

Специализированные средства для профессионалов обычно состоят из нескольких ступеней и включают в себя несколько продуктов, поэтапное использование которых приводит к нужному результату. Эти средства можно использовать дома самостоятельно. Но лучше обратиться к профессионалу, чтобы избежать ненужного повреждения волос – ведь главная задача кератина восстановить локоны, а не навредить им.

Как выбрать средство для волос?

Выбор кератина для профессионального использования (кератиновое выпрямление волос, например) обычно делает специалист, который работает с той или иной линейкой профессиональной косметики. Перед тем как записаться на процедуру, можно и нужно уточнить, с каким производителем работает мастер. Тогда можно будет заранее познакомиться с информацией о косметическом продукте и отзывах на него. Это поможет избежать неприятностей, если мастер недобросовестный, а кератин, которым он пользуется, плохого качества.

Если же говорить о кератине, который пригоден для домашнего использования, то сейчас в масс-маркете доступен большой выбор таких средств, и всегда можно найти подходящий вариант.

Для начала нужно определить степень повреждения волос и какой эффект требуется от средства с кератином.

Сыворотка для волос с кератином выпускается в основном в ампулах и представляет собой несмываемое средство, которое наносится на локоны по всей длине обычно несколько раз в неделю или после каждого мыться головы. Кроме того, что сыворотка восстанавливает волоски, заново наполняя их кератином, она также защищает их от высоких температур.

Поэтому такой формат отлично подойдет тем, кто:

• постоянно пользуется феном или плойкой и хочет защитить локоны;
• хочет вернуть им блеск, эластичность;
• хочет увлажнить волосы, предотвратить их ломкость.

Многие производители предлагают сыворотки на основе кератина: «Osis Flatliner» от Schwarzkopf, «Active Keratine» от Belita Vitex, «Терапист» от Kerastase, сыворотка «Шелк кератиновый» от CHI и другие.

Спрей с кератином также является несмываемым средством ухода. Его отличает от сыворотки более легкая текстура и простота нанесения. Сыворотки иногда могут давать утяжеляющий эффект, если нанести ее больше, чем требуется. Спреи таким не грешат и подойдут тем, кто:

• хочет поддержать здоровье и красоту своих волос;
• нуждается в дополнительном кондиционировании волос и облегчении их расчесывания;
• пользуется плойкой или феном;
• чьи волосы отличаются небольшой сухостью и ломкостью.

На рынке представлен большой выбор кондиционирующих и восстанавливающих спреев с кератином: спрей «Hair Light Keratin Care Spray» от Hair Company, спрей-уход «Megapolis» от Ollin Professional, спрей-филлер от Indola, кератиновый спрей от Osmo и другие.

Шампуни с кератином выпускаются в основном единой линейкой с бальзамами и масками и призваны дополнять друг друга. Так как все эти средства являются смываемыми, основной эффект видно не сразу после первого применения, а через некоторое время. Результата придется ждать дольше, но такой эффект имеет и свои плюсы: волосы после прохождения подобной кератиновой терапии будут выглядеть блестящими и шелковистыми и после ее окончания, так как кератин накопится в волосках.

Такой вариант подойдет тем, кто:

• постоянно использует фен или плойку;
• часто окрашивает волосы;
• хочет предупредить повреждение волос;
• страдает от сухости волос;
• нуждается в восстановлении и предупреждении секущихся локонов.

Шампунь, бальзам и маску можно использовать по отдельности, но лучший эффект дают линейки, когда они используются последовательно и вместе. Популярные линии уходовых продуктов для волос от различных производителей: «Keratin line» от HairLuxe, «Keratin» от Dr. Sante, Magic «Argan + Keratin» от Eveline Cosmetics и другие.

Для тех, кто постоянно красит волосы, есть краска с кератином. Ее отличает более щадящее воздействие на локоны и одновременно эффект оздоровления. Такой эффект достигается благодаря безаммиачной формуле и содержанию кератина. Так как краска для того, чтобы проникнуть вглубь волоса, приоткрывает чешуйки волосинок, вместе с ней туда проникает и кератин, который за время выдержки состава на локонах оказывает восстанавливающее действие. Пример такой краски – «Magic Keratin» от Kapous.

Для сильно поврежденных волос сыворотки, шампуни и бальзамы с масками будут не лучшим решением и могут быть недостаточно эффективны. Такие средства на основе кератина хорошо подойдут для того, чтобы справиться с сухостью волос, увлажнить локоны, предотвратить повреждения, обеспечить термозащиту, восстановить секущиеся кончики.

Если волосы были сильно повреждены, например, химической завивкой или окрашиванием или пострадали после затяжной зимы и воздействия холодных температур, стоит отдать предпочтение более сильным средствам. В случае с кератином в этой роли могут выступать наборы продуктов для выполнения кератинового восстановления локонов для бытового использования.

Как правило, в такие наборы входит комплекс средств для выполнения процедуры самостоятельно: это очищающий шампунь, само средство для кератинизации волос, бессульфатный шампунь, бальзам-кондиционер для волос и подробная инструкция.

Сейчас очень легко перед покупкой какого-либо средства изучить инструкцию и оценить, подходит вам такой формат или лучше обратиться к специалисту.

Примеры подобных комплексов для кератинизации волос: «Keratine Royal Treatment» от Ollin Professional, «Keratin Treatment» от Greymy, «BC Original» от SK Professional, «Gloss» от Bombshell и другие.

Для тех, кто опасается воздействия высоких температур на волосы и не преследует цель выпрямить волосы, подойдет холодное кератиновое восстановление локонов. При такой процедуре вместо воздействия утюжка пряди с составом либо вообще ничем не обрабатываются, либо обрабатываются инфракрасным ультразвуковым утюжком. Пример состава для холодного кератинового восстановления – «N-Solutions» от Homma Tokyo.

Среди продуктов для кератинового восстановления можно встретить биокератин.

На самом деле это маркетинговый ход, так как кератин сам по себе является природным веществом, естественным для нашего организма. Биокератин, как и любой другой кератин, действует на волосы изнутри, заполняя их и восстанавливая.

Как долго держится?

Процедура кератинового восстановления локонов не дает постоянный эффект. Результат держится в среднем 3 месяца. Продолжительность очень сильно зависит от средства, которым проводили процедуру. Некоторые производители обещают продолжительность эффекта до 4 месяцев.

Также продолжительность результата зависит и от грамотного ухода после проведения процедуры. Выполнение всех советов по уходу за локонами заметно продлит длительность эффекта, а невыполнение – сократит.

Частота мытья головы тоже влияет на то, как скоро нужно будет повторить процедуру кератинизации. Бессульфатный шампунь хоть и не с такой силой, как любой другой, но все равно вымывает кератин из волос. Так что на волосах, склонных к жирности, он продержится значительно меньше, чем на нормальных.

Особенности применения

С уходовыми средствами по типу бальзамов, шампуней и спреев всё понятно: они наносятся и смываются или не смываются в зависимости от своего назначения. Со средствами для домашней или профессиональной процедуры кератинового восстановления локонов немного сложнее.

Процедура кератинового восстановления волос подходит практически для любой длины. Но на короткие тонкие локоны такую процедуру лучше не делать.

Подготовительный этап является обязательным – кератин не наносится на жирную голову. Перед его нанесением необходимо вымыть ее специальным очищающим шампунем, чтобы смыть с локонов всю возможную грязь, а также чтобы раскрыть чешуйки волос. Это обеспечит проникновение кератина вглубь. Если он будет только обволакивать волоски снаружи – эффект будет недолгим и посредственным.

Очищающий шампунь есть почти у всех производителей, выпускающих средства для кератинового восстановления волос. Обычный шампунь для жирных волос, который позиционируется как очищающий, не подойдет. Бальзам после такого мытья наносить не нужно.

Следующий этап – обработка подсушенных локонов кератином. Средство нужно наносить тщательно. Выливать на волосы всю бутылку не стоит, но и жалеть его не надо, чтобы локоны не пострадали при последующей термической обработке. Состав не наносится на корни – отступ от них составляет примерно один сантиметр. На кончики лучше наносить кератин с особым вниманием, так как концы прядей зачастую являются ее самой поврежденной частью.

Расход средства на длину волос за одну процедуру варьируется в пределах 50 мл. Это зависит от качества волос, их толщины, густоты, длины и степени повреждений. Так, на тонкие длинные волосы уйдет меньше кератина, чем на густые волосы.

Кератин выдерживается на них около получаса. Точное время для каждого состава указано в инструкции.

После время выдержки кератина локоны высушиваются феном. Специалисты советуют чередовать подачу холодного и горячего воздуха и не сушить волосы на максимальной температуре. Когда локоны высохнут, они вытягиваются утюжком, если есть цель выпрямить волосы и комплекс средств подходит для этого. Обычно вытягиваются прядки примерно по полсантиметра. Утюжком одна прядь обрабатывается 5-7 раз.

Затем волосы остужают, расчесывают и, когда температура волос упала до обычной, промывают теплой водой без шампуня и бальзама. В заключение наносится фиксирующее средство. Это может быть крем, маска или бальзам из одной линейки с кератином. Это важный этап и опускать его не стоит, если он предусмотрен производителем. После того как смоется маска, волосы высушиваются окончательно.

Волосы после такой процедуры мгновенно преображаются.

Правила последующего ухода

Сразу после проведения процедуры с использованием некоторых кератинсодержащих составов нельзя мочить голову в течение 72 часов. Мастер должен предупредить об этом заранее. Мочить – это не только мыть голову или ополаскивать водой. Нельзя также наносить несмываемые спреи или иные жидкости, попадать под дождь. В противном случае результат в итоге пострадает и может быть не таким заметным.

В течение этих же 72 часов локоны нельзя связывать в хвостик, заплетать в косы, закалывать заколками и вообще как-то их мять. На волосах могут остаться некрасивые заломы, которые будет сложно убрать.

После процедуры оздоровления локонов кератином или их выпрямления обязательное условие продления эффекта – использование бессульфатного шампуня для мытья волос.

Если использовать обычный сульфатный шампунь, он за короткий срок вымоет кератин из волос и вернет их к исходному состоянию.

Также важно продолжать использовать такие уходовые средства, как бальзамы и маски для волос. Кератин – не панацея от всех бед и не заменит собой остальной уход за локонами.

Красить волосы после процедуры кератинового восстановления волос можно не раньше, чем через две недели. Если сделать это раньше, есть два варианта результата:

• краска не возьмется, потому что не сможет проникнуть в волос через защитный слой из кератина;
• краска нарушит защитный слой кератина и вымоет его из волоса, тем самым испортит эффект процедуры и снизит ее долговечность (это касается в основном аммиачных красок).

До процедуры тоже окрашивать не позднее, чем за две недели. В противном случае нужно быть готовым к тому, тон с локонов может смыться целиком или частично, а восстановить его можно будет не раньше, чем через две недели после кератинизации.

После процедуры не нужно пользоваться плойкой или утюжком. Фен лучше не использовать ежедневно, только по необходимости. Оптимальным вариантом будет промакивать волосы после мытья полотенцем и давать им высохнуть самостоятельно.

Если кератин по какой-то причине захочется смыть, сделать это можно обычным шампунем.

Отзывы

Большинство отзывов тех, кто прошел через процедуру кератинового оздоровления волос, положительны. Пользователи отмечают заметный результат: шелковистость волос, блеск и здоровый вид. По их мнению, кератин делает волосы гораздо мягче и послушнее, оказывает заявленный оздоровительный эффект. Многие пользователи хвалят выпрямляющий эффект кератина и довольны внешним видом волос после процедуры.

Но есть и негативные отзывы, в которых пользователи отмечают отсутствие долговременного эффекта после процедуры и потерю блеска и живости в течение нескольких недель. Встречаются жалобы на аллергические реакции и повреждение волос. Последнее бывает следствием выбора неопытного мастера или собственных домашних экспериментов. Пользователи также жалуются, что после процедуры кератинирования волосы становятся более жирными и теряют природный объем.

Кератиновое выпрямление волос в домашних условияхсмотрите в следующем видео

Кератин для волос [что это такое]

Что такое кератин для волос

Есть ли кератин в волосах? Не просто есть, это основной структурный белок волос, именно из него состоят те самые чешуйки, которые образуют кутикулу волоса. Они видны, если рассматривать пряди под микроскопом.

Где находится в волосах

Но кератин находится не только в чешуйках. Он, например, входит в состав внутреннего стержня волоса (его называют медулой). И второй слой, кортекс, также содержит кератин. Сколько кератина в волосах? В здоровых — около 90%, все остальное — это вода, жиры (липиды) и красящий пигмент.

Проверьте, как чувствуют себя ваши волосы, с помощью этого теста.

1 / 6

Какой у вас тип кожи головы?

2 / 6

Как часто вы моете голову?

3 / 6

Насколько долго волосы выглядят чистыми после мытья?

4 / 6

Вы принимаете витамины для волос и ногтей?

5 / 6

Вы часто испытываете стресс?

6 / 6

Оцените, полноценно ли вы питаетесь?

Функции кератина

Для чего нужен кератин? Он делает много полезных дел:

• придает локонам форму — именно от кератина зависит, прямыми они будут или вьющимися;

  
  

• защищает стержни волос от перепадов температур, ветра и солнечных лучей — всего того, что их портит;

• отвечает за внешний вид локонов.

Если кутикула волоса по разным причинам повреждается, волосы становятся ломкими и хрупкими. И в этом случае им помогут средства с кератином — вернут прядям здоровый, блестящий вид.

Вернуться к оглавлению

Для чего нужен кератин волосам

Наш натуральный кератин состоит из 20 аминокислот, каждая из которых выполняет свою функцию. Но в косметике он не используется. В средства для волос включают кератин растительного происхождения, полученный из аминокислот кукурузы, пшеницы, сои и риса.

Кератин из косметических средств легко усваивается волосами:

• заполняет бреши и пустоты в кутикуле волоса;

• выравнивает рельеф;

• увлажняет, запирая влагу внутри;

• делает волосы гладкими и блестящими,

• повышает их эластичность и упругость;

• облегчает укладку и расчесывание.

Средства с кератином вернут волосам здоровый вид © Getty Images

Вернуться к оглавлению

Виды косметических средств с кератином в составе

Кератин для волос — это вещь совершенно необходимая. Но нужно иметь в виду, что эффект от шампуней, масок и бальзамов с кератином обычно накопительный и зависит от количества применений, а также от формулы конкретного продукта. Для оптимальной эффективности в состав средств также вводят:

Делимся нашими любимыми средствами — попробовав их, вы поймете, для чего нужен кератин и какую пользу он может принести волосам.

Маски

Многие маски с кератином способны преобразить волосы за одно применение — разгладить, добавить жизни и блеска. Но только если вы правильно их используете! Вот несколько советов от эксперта-креатора Garnier Евгения Седого: «Маску для волос нужно наносить на влажные, я бы сказал, даже мокрые волосы. В этом случае средство, во-первых, будет расходоваться экономно, а во-вторых, ровнее ляжет на волосы. Смывать маску шампунем не нужно — достаточно воды комфортной температуры».

Маска для волос Elseve «Полное восстановление 5», L’Oréal Paris

Средство буквально тает на волосах, легко по ним распределяется, и благодаря цикамиду и прокератину насыщает их такими нужными питательными веществами. Результат — шелковистые локоны, наполненные силой и блеском. Вот что такое кератин для волос — настоящее спасение!

Экспресс-маска, реконструирующая поверхность волоса, Kera-Solutions, Vichy

Функция прокератина — заполнить микроповреждения в кутикуле, придать волосам здоровый блеск. Его действие усилено витамином В5 — вместе они способствуют восстановлению волос по всей длине, предотвращают ломкость и хрупкость прядей,.

Маска-спасатель Elseve «Длина мечты», L’Oréal Paris

Питательный коктейль с растительным кератином, витамином В5 и касторовым маслом, по мнению редакции, самая эффективная комбинация, которую можно придумать для длинных поврежденных волос. После применения маски они становятся мягкими, шелковистыми и выглядят здоровыми.

Шампуни

К шампуню у нас всегда много требований. Он должен вкусно пахнуть, не делать волосы жирными и не сушить их, не раздражать кожу головы. Эти средства с кератином как раз такие — читайте, выбирайте и используйте в домашних условиях

Шампунь Elseve «Полное восстановление 5», L’Oréal Paris

Подходит для поврежденных волос — тех, что стали тусклыми, жесткими, сухими и безжизненными. Цикамид и прокератин в составе шампуня способствуют их восстановлению, заряжают силой и прочностью.

Шампунь Kera-Solutions, реконструирующий поверхность волоса, Vichy

Cредство бережно очищает волосы. Прокератин в его составе помогает их восстановить и укрепить, а аллантоин успокаивает чувствительную кожу головы.

Укрепляющий шампунь Fructis «SOS-восстановление», Garnier

Два мощных ингредиента — масло амлы и керафил —– питают и укрепляют локоны по всей длине, восстанавливают их повреждения. Для каких волос полезен кератин? Да для любых поврежденных волос. Уже через 3 применения пряди станут выглядеть гораздо лучше.

Бальзамы

Шампунь — для очищения, маска — для питания, а что дает волосам бальзам? Наши эксперты считают, что это средство помогает смыть щелочные остатки шампуня, закрывает кутикулу, которую шампуни открывают, и ухаживает за ней, выравнивая поверхность волоса.

Супербальзам Elseve «Легкое расчесывание. Длина мечты», L’Oréal Paris

Формула с растительным кератином, витамином В5 и касторовым маслом помогает распутать капризные волосы и препятствует их ломкости. Локоны становятся мягкими, послушными и сияющими.

Укрепляющий бальзам-ополаскиватель для волос Fructis «SOS-восстановление», Garnier

Керафил и масло амлы нужны для питания и защиты волос по всей длине. Они работают с повреждениями, например, вызванными укладкой и сушкой феном. Это отличный уход! Локоны выглядят более здоровыми и красивыми.

Бальзам Elseve «Полное восстановление 5» для поврежденных волос, L’Oréal Paris

Как и вся гамма, содержит прокератин и цикамиды, которые способствуют восстановлению волос. При регулярном применении пряди становятся гладкими и блестящими.

Вернуться к оглавлению

Салонные процедуры с кератином

Их достаточно много, но, наверное, одни из самых популярных — кератиновое выпрямление и кератиновое восстановление волос. Последнее выполняется в салоне в несколько этапов.

1. 1

   Сначала голову моют бессульфатным шампунем.

   
   

2. 2

   Потом на волосы по прядям наносят кератиновый концентрат. Средство мягко втирают в волосы по всей длине, избегая корней.

3. 3

   Затем наносят маску, чтобы запечатать кератиновый состав в глубоких слоях волоса.

4. 4

   В конце процедуры волосы моют с кондиционером, который закрывает чешуйки, придает волосам блеск.

5. 5

   Результат — волосы будто оживают, становятся блестящими, гладкими и шелковистыми. Правда, длится это счастье недолго — всего месяц-полтора.

Кератин для волос – вещь совершенно необходимая © Getty Images

Вернуться к оглавлению

Краткие итоги

А теперь коротко о главном.

Что такое кератин?

Это белок, основной строительный материал волос. В здоровых локонах около 90% кератина, все остальное — это вода, липиды и красящий пигмент.

Подробнее читайте здесь.

Для чего он нужен волосам?

• Придает форму — пряди становятся прямыми или вьющимися.

• Защищает от агрессивных факторов среды.

• Отвечает за внешний вид и качество волос. Без него те становятся ломкими и хрупкими.

Подробности вы найдете здесь.

Из чего получают кератин, который используется в косметических средствах?

Его синтезируют из аминокислот кукурузы, пшеницы, сои и риса и добавляют в шампуни, бальзамы и кондиционеры.

Подробности читайте здесь.

Каковы функции кератина в шампунях, бальзамах и масках?

Кератиновый белок:

• заполняет бреши и пустоты в поверхности самого стержня волоса;

• выравнивает рельеф;

• увлажняет, «запирая» внутри влагу;

• делает волосы гладкими и блестящими,

• повышает их эластичность и упругость;

• облегчает укладку и расчесывание.

Подробности читайте здесь.

Вернуться к оглавлению

Что такое кератин? Строение волоса, кератин в составе волоса. Гидролизат кератина и косметика с ним. Личный опыт кератинового ухода. Кератин и питание

На тему наличия в уходе продуктов с кератином уже давно ведутся жаркие споры волосоманьяков. Кератин стал настоящей панацеей, его можно найти повсюду — в шампунях, масках, кондиционерах, кремах для волос, ампулах, концентратах и серумах… А какие обещания дают производители!

«Кератин делает волосы блестящими, дарит им упругость и плотность, облегчает расчёсывание, увлажняет и питает волосы, восстанавливает повреждения, придает волосам объём, склеивает сечёные кончики…

Кому-то кератинсодержащие продукты спровоцировали сильную ломкость, чьим-то волосам, наоборот, подарили плотность и упругость, третьи вообще никакого эффекта от средств с кератином на своих волосах не увидели. Так кто же прав, и вообще нужна ли волосам дополнительная порция кератина?

Запаситесь горячим кофе , устройтесь поудобнее, и давайте разбираться вместе. Информации много, половина (вместе с фото) убрана в спойлеры дабы не перегрузить мозг информацией

фото с сайта pxhere.com

Внимание!

В этом посте я не хочу затрагивать тему кератинового выпрямления/восстановления/протезирования и им подобных салонных услуг. Я отношу их к классу повреждающих, а не восстанавливающих волосы процедур.

Чтобы иметь полное представление о том, что такое кератин и какова его роль в составе волоса, нужно рассмотреть физическое и химическое строение волоса. Рассматривать начнём с физической точки зрения.

Структура волоса состоит из 3 основных частей:

(под спойлерами подробная информация о строении каждой структурной единицы)1. кутикула;Кутикула — защитный слой, состоящий из β-кератина об этом поговорим чуть ниже и образующий внешнюю поверхность волоса. Кутикула защищает кору от повреждений, выступая в качестве барьера. Она состоит из нескольких (чаще всего из 6-10) слоёв чешуек, каждый толщиной около 0,5 мкм, склеенных вместе с клеточным мембранным комплексом. Очень вьющиеся волосы имеют разное количество слоёв кутикулы на разных участках.

Клеточный мембранный комплекс легко повреждается водой, водосодержащими моющими средствами и агрессивными химикатами. Деградация этого слоя может привести к разрыву слоёв кутикулы, после чего она перестаёт выполнять свою защитную роль.

фото с сайта seabeautyintl.com

Кутикула состоит из 4 слоёв:

1. Эпикутикула — очень тонкая мембрана (5-7 нанометров толщиной). Гидрофобна, неустойчива к щелочам, окислителям и протеолитическим агентам, при длительном воздействии которых волосяные волокна становится пористыми, увеличивается трение между фибриллами волос. Эпикутикула выступает в качестве полупроницаемой мембраны, которая служит неким фильтром для того, что может проникнуть в кортекс, а что нет.

2. А-слой — очень богат цистеином (~ 35%), противостоит физическим воздействиям (трение во время расчёсывания, мытья и сушки) и химическим воздействиям (щелочи, восстановители, окислители, протеолитические ферменты).

3. Экзокутикула — вторая часть А-слоя, содержит ~ 15% цистина.

4. Эндокутикула — самый слабый слой кутикулы, содержит ~ 3% цистина. Имеет очень мягкую и легко поддающуюся деформации структуру, сильно набухает в воде. Легко повреждается химическими веществами. Однако он может обеспечить некоторую защиту, создавая «подушку» под более жёстким внешним слоем экзокутикулы.

Кутикула противостоит изгибу волосяного волокна на 74% (66% сопротивления приходится на экзокутикулу, 8% — на эндокутикулу). Именно кутикула первой принимает на себя удар от ультрафиолетового излучения . Как именно разрушается кутикула под воздействием УФ-лучей, показано на фото ниже. Поэтому, пожалуйста, прячьте свои волосы от солнца, и пользуйтесь солнцезащитными средствами для волос!

«Изучение повреждения поверхности волос под воздействием ультрафиолетового излучения (UVB и UVA излучения). Кутикулы волос всех трех групп (азиатские, кавказские, африканские) имели неповрежденные и плотно перекрывающиеся чешуйки кутикулы. По мере увеличения энергии облучения поверхности образцов из всех трех групп становились все более поврежденными. UVB-излучение приводило к более серьезным повреждениям, чем UVA-облучение, и по сравнению с образцами из других групп африканские волосы демонстрировали относительно худшие повреждения.»

«Все образцы волос по группам имели неповрежденные кутикулы более шести слоев. По мере увеличения энергии облучения во всех группах наблюдались отверстия различного размера, расщепление вдоль эндокутикулы и отслоение кутикулы.»

(информация взята из данной статьи)

2. кора, или кортекс;
Кортекс, или кора — центральный слой, занимающий от 75 до 80% объёма волоса. Кора состоит в основном из кортикальных клеток, которые представляют собой белковые клетки удлиненной формы, диаметром от 2 до 5 (мкм), а длиной – около 100 (мкм). Кортикальные клетки имеют форму веретена, они различных размеров и выровнены вдоль основной оси волокон.

Существует два типа кортикальных клеток: паракортикальные клетки (обладают однородной формой веретена, более насыщены цистеином) и ортокортикальные клетки (имеют неоднородную форму).

Прямой волос в поперечном разрезе содержит только паракортикальные клетки.

У вьющегося волоса паракортикальные клетки располагаются на вогнутой стороне завитка, а ортокортикальные клетки — на выпуклой, причём на паракортикальной стороне вьющегося волоса общая толщина кутикулы будет выше, чем на ортокортикальной стороне, где количество слоев кутикулы минимально (от одного до двух). Было доказано, что сила закручивания волос зависит от степени неоднородности внутренней структуры волоса, и не зависит от этнического происхождения.

фото с сайта slideshare.net

Все кортикальные клетки отделены друг от друга, а их организацию в комплексы обеспечивает корково-кортикальная клеточная мембрана, толщина которой составляет всего лишь 2 нанометра.

Кортикальные клетки состоят из макрофибрилл, которые представляют собой стержнеобразные структуры, имеющие длину несколько микрон (мкм) и диаметр от 0,1 до 0,4 микрон (мкм). Кератинизированные макрофибрильные звенья ориентированы вдоль клеток в продольном направлении, обеспечивая тем самым очень прочный волокнисто-матричный композит.

Если взглянуть через электронный микроскоп на повреждённые участки волос, то в местах разрыва мы как раз увидим нити макрофибрилл:

фото с сайта seabeautyintl.com

Макрофибриллы разделены между собой тонкой мембраной в кортикальной клетке. Эти мембраны также содержат пигмент волос, известный как меланин, который рассредоточен по всей мембране. Макрофибриллы внедряются в клетки коры, затем разделяются мартицей (межмикрофибриллярным материалом).

Основная роль матрицы заключается в том, чтобы удерживать вместе микрофибриллы и промежуточные нити в стационарном стабильном состоянии, с некоторой свободой движения (эластичность волосяных волокон). Если микрофибриллы и белковая матрица распадаются частично или полностью, волокно волоса относительно теряет свои механические свойства (прочность на разрыв и эластичность).

Макрофибрилла содержит много микрофибрилл (промежуточных нитей), которые ориентированы параллельно оси волосяного волокна. Каждая микрофибрилла составляет около 8 нм в диаметре и содержит 8 протофибрилл.

Каждая протофибрилла состоит из четырех протофиламентов, который, в свою очередь, состоит из двух димеров. Димер имеет две белковые цепи кератина, скрученные вместе по особой спиральной схеме (схема строения находится после спойлеров).

3. медулла.
Медулла, или мозговое вещество — мягкое центральное ядро волоса. Ткани мозгового вещества по своей структуре напоминают губку. Медулла в волосах людей может присутствовать, быть прерывистой или вообще отсутствовать. Основной функцией медуллы считают терморегуляцию и увеличение объема волос.

Что же получаем в итоге? Если кратко, то большая часть волосяных волокон находится в коре, которая отвечает за прочность волос на разрыв. Кора состоит из длинных нитей, упакованных вместе, называемых микрофибриллами, которые содержат организованные α-спиральные стержни кератина:

фото с сайта ncbi.nlm.nih.gov

Не забудем сказать «Спасибо» ортокортикальным клеткам, благодаря которым мои Завитушки никогда, ни после каких бы то ни было ухищрений, не будут выглядеть так, как прямые от природы волосы только как ооочень повреждённые прямые волосы

Из 54 находящихся в человеческом организме кератинов по крайней мере 26 находятся в волосяном фолликуле. Они отличаются от эпителиальных кератинов значительно более высоким содержанием серы и остатков цистеина. Это обеспечивает возможность поперечной сшивки молекул белка, придавая волосу дополнительную прочность.

Примерный химический состав здорового волоса таков: 3–15% воды, 6% липидов*, 1% пигмента, 78–90% кератинового белка.

*липидыЛипиды расположены в комплексе клеточных мембран кутикулы и состоят из жирных кислот, сульфата холестерина, церамидов и холестерина. Липидный слой уменьшает трение и увеличивает гидрофобность поверхности волос, а также способен защитить волосы от ультрафиолета . Азиатские волосы имеют более цельные липиды, чем другие группы в целом. После эксперимента с УФ-облучением волос разных групп населения содержание липидов в волосах уменьшилось.

Кератин — нерастворимая в воде белковая молекула, имеющая нитевидное (фибриллярное) строение.

Кератины волос включают 11 из 28 кератинов типа I (кислый) (характеризуются большим количеством цистеина, а также остатков пролина. К31, кислый кератин типа I, является основным белком кератинового комплекса волос человека и необходим для поддержания прочности волос на растяжение) и 6 из 26 кератинов типа II (основной). Уникальной особенностью кератинов является их спаривание, т.е. обязательное образование гетеродимеров между одним кератином типа I и одним кератином типа II. Это происходит путем объединения соответствующих стержневых доменов в конформацию спиральной α-спирали.

В кератине цементирующего вещества (матрикс) преобладают основные (щелочные) аминокислотные остатки, в кератине фибрилл — кислотные. Поэтому между кератином фибрилл и цементирующего вещества возможно ионное взаимодействие и даже образование более прочных связей. Кератин микрофибрилл более инертен по отношению к влаге, в то время как кератин цементирующего вещества способен энергично сорбировать влагу.

α- и β-структуры кератина

фото с сайта keratinbrasil.com

α-кератин представляет собой спирали с витками вокруг оси молекулы.
β-кератины не имеют поперечных дисульфидных связей между соседними полипептидными цепями. β-кератины не растворимы в воде, устойчивы к действию органических растворителей, кислот и щелочей; их волокна более гибки, чем у α-кератинов, но в отличие от последних не эластичны.

Возможны переходы от α-структур к β-структурам и обратно вследствие перестройки водородных связей. Вместо регулярных межпептидных водородных связей вдоль цепи (благодаря им полипептидная цепь скручивается в спираль) происходит раскручивание спирализованных участков и замыкание водородных связей между вытянутыми фрагментами полипептидных цепей.

Увлажнение волос приводит к разрыву водородных мостиков и «вытягиванию» α-структуры, что в свою очередь ведет к удлинению волоса (вьющиеся волосы распрямляются). Во время сушки волос водородные связи формируются заново, и кератин вновь принимает свою структуру спирали. Например, если волос намочить и накрутить на бигуди, то перегруппировка водородных связей приведет к тому, что высохший волос на какое-то время будет сохранять форму бигуди, образуется завиток .

Пару слов о хим.связях волосаОсновными поперечными связями внутри волоса являются: водородные, ионные (солевые) и дисульфидные.

Водородная связь является очень слабой физической поперечной связью, которая легко разрушается водой и температурой. И хотя по отдельности водородные связи очень слабые, но их в волосах так много, что на их долю приходиться около одной трети от общей численности связей в волосах. Водородные связи легко разрушаются при намокании волос. Это позволяет волосам легко растягиваться. При высыхании волоса водородные связи восстанавливаются и фиксируют форму волос в том положении, в котором волосы оказались.

Ионные (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 они оказывают значительное влияние на структуру и свойства волос.

Дисульфидная связь — это сильная химическая связь, которая очень отличается от физических водородной и ионной. Образование внутри- и межмолекулярных дисульфидных связей во многом объясняет прочность и механическую прочность волос. Она соединяет атомы серы двух соседних аминокислот цистеина, что бы создать одну — цистин. Цистин объединяет две белковые цепочки в единое целое.

Хотя самих дисульфидных связей гораздо меньше, чем водородных и ионных, но 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 разрушают 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. Напротив, образование максимального числа дисульфидных связей в кератинах путем воздействия окислителей создает прочную пространственную структуру.

Когда химия волос изменяется, некоторые из естественных свойств волос подвергаются риску. Несколько механизмов могут вызвать повреждение волосяного волокна. Например, стрессы окружающей среды и ультрафиолетовое излучение фотоокисляют белки. Фотоокисление белков приводит к расщеплению дисульфидных связей и разрыву тиоэфирных связей, что приводит к высвобождению связанных липидов на поверхности и потере структуры волоса. Эти реакции приводят к ухудшению свойств волос: плохая укладка, сухость и ломкость, потеря блеска, снижение прочности волос.

Метионин и цистеин

В состав кератина входят 2 аминокислоты, содержащие серу – метионин и цистеин. Эти аминокислоты метаболически тесно связаны между собой.

Метионин – «стартовая» аминокислота при синтезе всех без исключения белков на рибосомах. Метионин является источником серы при биосинтезе цистеина, который также участвует в синтезе кератина. Он не синтезируется в организме человека, поэтому метионин должен постоянно поступать в организм вместе с пищей.

Цистин (Цистеин-дипептид цистина) — аминокислота, обеспечивающая очень прочное и подвижное скрепление структуры белковых молекул по всему волосу, которое разрывается только при очень агрессивном воздействии. Это заменимая аминокислота, которая может синтезироваться в организме человека из серина с участием метионина как источника серы, а также АТФ и витамина В6. Чем выше содержание цистина в α-кератине, тем крепче и жестче его структура (напр., в панцире черепахи 18% цистина).

Теперь можно остановиться на пару минут и выдохнуть Ещё не устали? Тогда продолжим, впереди всё самое интересное

Научно доказано, что только кератин с низким молекулярно-массовым распределением (предпочтительным является кератин с молекулярной массой от 3000 до 30000 Дальтон, наиболее предпочтительно от 5000 до 15000 Дальтон), может проникать в волосы. Поэтому, если в составе средства, заявленного как кератинсодержащее, указано только «Keratin«, без «Hydrolyzed» — никакого эффекта от такого средства ждать не стоит . Также гидролизат кератина в составе косметических средств может скрываться под такими названиями, как Cocodimonium Hydroxypropyl Hydrolyzed Hair Keratin, Cocodimonium Hydroxypropyl Hydrolyzed Keratin, Hydroxypropyltrimonium Hydrolyzed Keratin, Laurdimonium Hydroxypropyl Hydrolyzed Keratin.

Примерная концентрация гидролизата кератина в косметике:

— маски для восстановления поврежденных волос — 8-10%;

— питательные/восстанавливающие сыворотки для волос — 5%;

— шампуни для укрепления корней волос — 2-4%;

— кондиционеры и бальзамы для волос — 5-6%.

В настоящее время кератиновые гидролизаты обычно получают из кератинсодержащих частей животных (перья, рога, копыта, волосы и шерсть). Большинство этих гидролизатов получают химическим гидролизом и гидротермальными методами. Кератиновые белки также могут быть извлечены из шерсти без гидролиза пептидных связей, что позволяет этим белкам сохранять форму и функцию, аналогичные натуральным кератинам человеческого волоса.

Однако не все способы получения гидролизата кератина сохраняют его эффективность. Полностью разрушенный белок, распавшись на отдельные фрагменты, теряет свою биоактивность. «Осколки» белка не могут эффективно связываться с волосами и восстанавливать поврежденную кутикулу.

Источник: cosmetic-industry.com

Некоторые отрасли промышленности разработали комплекс из 18 свободных аминокислот, полученных из белков пшеницы, кукурузы и сои, чтобы имитировать естественный состав кератина. Содержание серы в аминокислотах сои сходно с содержанием серы в волосах человека. Однако разумеется им не хватает полной идентичности, поэтому они менее эффективны, чем кератин человеческих волос.

Было проведено немало научных исследований влияния гидролизата кератина на волосы. Посмотрим, какие результаты получили учёные?

Исследование №1 (с фото)«Полученный из перьев гидролизат кератина наносили на 5 групп волос (неповреждённые волосы, окрашенные волосы, окрашенные волосы с осветлением, окрашенные волосы с релаксором, осветлённые волосы), по-разному вымытые и высушенные.»

A — волосы промыты лауретсульфатом натрия и высушены естественным образом.
B — волосы промывают шампунем с использованием ополаскивателя, содержащим гидролизат кератина, и высушены выпрямителем при 180ºC.
C — волосы промывают шампунем с использованием ополаскивателя, содержащим гидролизат кератина, и высушены естественным образом.
D — контрольные волосы (вымытые шампунем с использованием ополаскивателя без гидролизатов), высушенные с помощью выпрямителя при 180ºC.
Е — контрольные волосы (вымытые шампунем с использованием ополаскивателя без гидролизатов), высушенные естественным путем.

В результате этого исследования было выявлено, что:

— тепло необходимо для полной герметизации кутикулы;

— гидролизаты кератина лучше прилипали к ранее окрашенным и выпрямленным волосяным волокнам;

— применение гидролизата кератина с нагревом способствовало герметизации кутикулы, но края её чешуек оставались сломанными;

— применение гидролизатов кератина значительно увеличили яркость и мягкость волос;

— проникновение гидролизата кератина более глубокое при более длительной выдержке;

— добавление белковых гидролизатов в спреи и тонеры для окрашивания волос позволяет волосам более равномерно впитывать красители.

Исследование №2 (с фото)«Пучки волос были повреждены осветлителем, затем волосы промывали водой и сушили естественным путём. В качестве контрольной группы использовали неосветлённые волосы. Очищенный кислый кератин K31 наносили на все группы волос. Один из пучков кудрявых волосков промыли щёлочью, распрямили с помощью расчёски и поместили в раствор К31 на 1 час с последующим промыванием раствором уксусной кислоты.»

В результате этого исследования было выявлено, что:

— обработка волос кератином K31 эффективно выпрямила вьющиеся волосы за 1 час;

— после обработки кератином диаметр осветлённых волос увеличился в среднем на 49%;

— обработка волос кератином K31 значительно улучшила гладкость кутикулы;

— после однократной обработки кератином K31 механическая прочность обесцвеченных волос увеличилась почти в 2 раза.

Результаты впечатляют, не так ли? Но не стоит забывать, что в обоих случаях был использован чистый, лабораторно выделенный гидролизат кератина, без дополнительных примесей. К тому же результаты, полученные в лабораторных условиях, очень редко соответствуют полученным в реальных условиях.

К сожалению, кератин, используемый в большинстве косметических марок, имеет больший молекулярный вес, чем нужно. Поэтому эти молекулы кератина не могут проникать в волосы . Они работают на внешней поверхности волоса, где заполняют пустоты.

В одном из интервью глава компании Global Keratin Ван Тиболли заявил, что, по их данным, гидролизат кератина в восстановлении волос малоэффективен (эффективность восстановления достигает всего 7%).

Но самое неприятное даже не в том, что молекула кератина в большинстве косметических средств слишком большая для проникновения в структуру волоса — по факту кератина вообще может не быть в составе (несмотря на наличие в списке ингредиентов на упаковке средства):

Большинство продуктов для волос, которые рекламируют преимущества кератина, на самом деле не содержат его и даже не нацелены на белок. В результате ClassAction.com подал иск о ложной рекламе против Matrix и L’Oreal, утверждая, что их продукты не содержат кератина и, следовательно, не могут обеспечить преимущества, которые они рекламируют.

Источник: www.classaction.com

Обращать внимание на кератинсодержащие средства я начала лишь в сентябре 2018-го. В тот период мой «кудрявый» уход был ещё на стадии формирования, да и потребности своих волос я тогда в должной мере не осознавала, поэтому частым гостем на моих волосам стало переувлажнение.

Важный факт, который я должна упомянуть. Почему-то во многих источниках в том числе блогах, фигурирует информация о том, что гидролизированный кератин увлажняет. Я с этим утверждением категорически не согласна . Кератин может уплотнить волос, сделать его более гладким и послушным за счёт выравнивания кутикулы, может запереть влагу внутри волоса, но увлажнять он не может в принципе.

Кератин склонен накапливаться на поверхности волоса, особенно на повреждённых или пористых от природы волосах (и фото исследований, приведенных выше, это наглядно показывают). После долгого использования исключительно кератинсодержащих средств волосы становятся жёсткими, сухими и ломкими (чем выше пористость волоса — тем сильнее риск). Однако, по логике данных источников, должен быть обратный эффект — в виде переувлажнения.

Более опытные девушки-кудряшки для устранения переувлажнения посоветовали ввести в уход средства с кератином/протеинами, которых на тот момент в моём уходе не было и понеслась душа в рай. В тот период отчаяния от постоянного получаемого переувлажнения я скупала средства, не особо вчитываясь в состав. На упаковке написано «кератин»? Берём! а что там, в составе, дело десятое. Разумеется, в результате такого бездумного подхода к выбору средств удачных покупок практически не было.

Опытным а потому небыстрым путём я выявила, что средства, содержащие в своём составе помимо гидролизата кератина ещё и протеины и/или коллаген, подходят моим волосам лучше всего — появляется блеск и упругость завитка, кудри очерчены, при этом не пересушены.

Однако, если брать в расчёт кератинсодержащие маски, то после 2-3 применений подряд становится заметно, что волосам не хватает влаги. Если шампуни с кератином я могу применять каждый раз, то маски с гидролизатом кератина мне приходится чередовать с увлажняющими.

Приведу примеры средств, которые мне подошли/не подошли/создали спорное впечатление. С подавляющим большинством из них я познакомилась уже после перехода на метод, поэтому их состав подходит для cgm (если не подходит, около средства будет стоять значок ).

Подошедшие мне средства, в составе которых есть гидролизат кератина:

• Маска Hask Macadamia Oil — моя волшебница (тык-тык), вернувшая веру в кудряшки. Блеск, мягкость, упругость, очерченность завитка — всё это о ней;
• Маска Hask Argan Oil, которую я бы назвала комплексной — волосы отлично увлажнены, при этом завиток упругий и очерченный. В условиях влажного климата стала моей любимицей ;
• Маска Hask Monoi Coconut Oil Nourishing, которая по своему действию очень напоминает версию с аргановым маслом, только с более выраженным увлажняющим эффектом. Ей я тоже посвятила подробный пост-отзыв (тык-тык);
• Маска с кератином Health & Beauty, о которой расскажу в следующем посте ;
• Эликсир Maraes Color Nourishing Doppio, после долгой борьбы с переувлажнением подаривший упругость завитка. О нём я тоже писала тут (тык-тык);
• Маска Hask with Keratin Protein, состав которой пестрит разнообразными протеинами, кератинами и коллагеном. С задачей восстановления и укрепления завитка маска справляется на ура;
• Шампунь израильской марки Style Aromatherapy с кератином и витамином Е, которым я пользуюсь с прошлого лета. Не содержит сульфатов, зато в составе есть и протеины растительного происхождения, и масла, и пантенол. Завиток после него гораздо более крепкий и упругий, чем от моего сульфатника Bonacure или от ковоша;
• Шампунь Creightons с кокосом и кератином, окутывающий ароматным облачком. Содержал SLS, поэтому после перехода на метод я от него отказалась. Мягко промывал волосы, при этом смывал даже масляные маски, и не пересушивал длину. Несмотря на наличие кератина в составе, я бы отнесла его к увлажняющим шампуням;
• Кондиционер Creightons с кокосом и кератином — ещё одна находка для тех, кто не придерживается метода. Облегчает расчёсывание, придаёт блеск и мягкость, облегчает укладку и усмиряет торчуны. Действие этого кондиционера я бы сравнила с любой масс-маркетовской маской.

Средства с кератином, отношение к которым у меня довольно спорное:

• Kaaral Maraes Color Nourishing Mask — мечта, вонзившая мне нож в спину (зато простимулировавшая творческие способности — Сказка о капризной принцессе Maraes ) Она не дала мне ни кудрей, ни блеска, ни гладкости. Хотя сейчас всё чаще появляются мысли о повторном её приобретении ничему меня жизнь не учит, но в этот раз в качестве выпрямляющего средства для тех дней, когда хочется более прямых волос;
• Маска Kora кератиновое восстановление волос, мнением о которой я также поделюсь в следующем посте должна же быть хоть какая-то интрига.

Неподошедшие мне средства с гидролизатом кератина:

• DNC Филлер для волос, которой мне рекомендовали как отличное (и бюджетное, что немаловажно) средство для борьбы с переувлажнением. Но вместо упругих и очерченных кудряшек и обещанных мягкости и блеска я получила лишь пух и жёсткость. Хотя очень многим он зашёл;
• Бальзам с кератином Амазонская ягода асаи от Ecolab не впечатлил от слова совсем, хотя в составе помимо кератина имел протеины шёлка. Волосы после него с трудом расчёсывались пальцами, а после высыхания были жестковаты, и вместо гладкости и блеска было много пуха и торчунов.

Можно укрепить/восстановить волосы, используя кератинсодержащие средства. Но еще лучше — восполнить недостаток кератина изнутри жаль, для повреждённой длины это не поможет. Определенные питательные вещества в пище стимулируют выработку кератина:

Белок

Он может помочь уменьшить выпадение волос и укрепить волосы. В исследовании, проведенном на 96 женщинах в пременопаузе из кавказских, азиатских и латиноамериканских этнических групп, те, кто принимал пищевую добавку на основе морского белка, испытали значительное снижение выпадения волос в течение трех-шести месяцев.

Где содержится: рыба, морепродукты и водоросли, яйца, постное мясо, орехи, творог.

Биотин

Исследования показывают, что биотин может помочь при синдроме ломкости ногтей и выпадении волос. Диета, богатая биотином, может также улучшить гликемический контроль и работу мозга. Это питательное вещество особенно важно во время беременности, поскольку почти половина будущих мам имеет низкий уровень биотина.

Где содержится: яичные желтки, мясо, цельные зерна, листовая зелень, орехи, грибы и бананы.

Омега-3 жирные кислоты

Незаменимые жирные кислоты регулируют практически все процессы в вашем организме, включая выработку кератина. Эти питательные вещества также служат источником энергии и помогают формированию клеток. Кроме того, они компенсируют негативное воздействие стресса на волосы и кожу.

Где содержится: лосось, скумбрия, тунец, орехи.

Метионин

Выше я писала, что данная аминокислота необходима для синтеза любых белков в человеческом организме, в том числе и кератина. Метионин не вырабатывается в организме, а потому должен поступать с продуктами питания.

Где содержится: яичный порошок, красная икра, сыры (особенно Пармезан), соя, молоко, кунжут, рыба, мясо.

Цинк

Малейший недостаток цинка может привести к выпадению волос, сухости кожи, ломкости ногтей и усталости. В клинических испытаниях было обнаружено, что добавки цинка значительно снижают выпадение волос у 62% пациентов с очаговой алопецией.

Где содержится: устрицы (одна порция устриц дает 493% от рекомендуемой суточной нормы потребления цинка), говядина, фасоль, крабы, обогащенные злаки, орех кешью, миндаль, овсянка.

Кроме вышеперечисленных питательных веществ, на здоровье волос также влияют витамин B6, витамин A, витамин C, селен, кремний, железо и кальций, поэтому стоит добавить в рацион продукты, богатые этими веществами.

Наконец-то можно выдохнуть) Я старалась объять необъятное охватить как можно больше подтем, связанных с кератином, при этом не сделать пост слишком скучным, и не повториться с той информацией, которая уже есть на сайте. Надеюсь, у меня это получилось, и вы узнали для себя что-то новое

Желаю всем красивых, здоровых, густых и длинных волос!

С уважением,
Ссылки на научные статьи:

PRO-TECHS Keratin.Кератин. Состав для бразильского выпрямления волос.250 мл.

Серия препаратов Pro Techs Keratin  —  обладатель Гран При международной выставки Cosmoprof Болонья (Италия) «Лучший профессиональный продукт года», по оценке жюри из 27 стран мира.

Английская компания «Agnes Sorel Limited» разработала принципиально новую нано формулу кератина для выпрямления и восстановления поврежденных волос без содержания опасного для здоровья формальдегида. Процедура известная во всем мире под названием бразильское кератиновое выпрямление волос с рабочим составом PRO-TECHS Keratin, достигла новых высот. Мягкая формула с нано молекулами действует эффективно и безотказно. Нано молекулы кератина, обладают способностью глубоко проникать внутрь волоса и удерживаться в нем до 6 месяцев.

Заменив формальдегиды и альдегиды на метилхлороизотиазолинон, технологи «Agnes Sorel Limited» доказали, что компания прежде всего, заботится о здоровье мастеров  их клиентов. Это подтверждается  санитарно-эпидемиологическим заключением российской федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.

Состав препатата PRO-TECHS Keratin от компании «Agnes Sorel Limited»:

Вода очищенная.

Глицерин — трехатомный спирт, который представляет собой не имеющую запаха, вязкую, прозрачную и бесцветную жидкость, и используется в косметологии в качестве отличного увлажнителя.
Глицерин обладает увлажняющими и смягчающими свойствами

Цетеариловый спирт
Смесь цетилового и стеаринового спирта натурального происхождения. Натуральный цетеариловый спирт  получают из масла кокосового ореха. Этот компонент крайне устойчив к воздействию кислорода, солнечных лучей и воздуха, не подвержен окислению. В косметических средствах он очень часто используется в качестве растворителя, эмульгатора, загустителя, повышает вязкость эмульсионных систем типа масло-вода, а тем самым и их стабильность. Цетеариловый спирт используется для “смягчения косметики”, улучшает консистенцию кремов. Кроме того, положительно влияет на состояние кожи, помогая ей противостоять вредным воздействиям окружающей среды.

Cetrimonium — хлорид цетримония  обладает  высокоэффективными, ухаживающими биологически активными свойствами, образующими защитную выравнивающую пленку на поверхности волос; помимо этого он существенно облегчает расчесывание мокрых волос и препятствует их статической электризации.

Amodimethicone (Амодиметикон) — кремнеорганический полимер. В растворах становится катионным полимером (полимером с положительным зарядом). Поверхность волос имеет отрицательный заряд, поэтому амодиметикон легко оседает на его поверхности.

Свойства амодиметикона характеризуется крайней избирательностью, так как он больше всего оседает на поврежденных участках и меньше на здоровых. Поэтому его можно назвать умным кондиционером. Осевшая пленка, долго  удерживается на поверхности волос. Эта тончайшая пленка эффективно удерживает влагу внутри волоса и выравнивает поверхность и придает блеск и эластичность.

Амодиметикон не способен создавать на поверхности волос сильные накопления, он не растворяется воде, но  полностью вымывается шампунями с Lauryl Sulfate (лаурил сульфат), Laureth Sulfate (лаурет сульфат) или Cocamidopropil Betaine (кокамидопропил бетаин).

Amodimethicone (Амодиметикон) читается одним из лучших кондиционирующих полимеров, так как обеспечивает:

• глубокое кондиционирование;
• восстановление структуры поврежденных волос
• поддержание формы волос;
• непревзойденная термозащита;
• длительное сохранение цвета волос;
• придает блеск и эластичность волосам.

Амодиметикон часто применяют для изготовления лечебных масок для волос, добавляют в составы кондиционирующих шампуней. Более того, ведущие мировые бренды добавляют этот компонент в составы красок для волос, тем самым улучшая их свойства и лечебно восстановительные качества, улучшают окрашивающие свойства

В ходе научных исследований и многочисленных испытаний,  доказана высокая эффективность amodimethicone (амодиметикона) в смываемых и не смываемых масках и кондиционерах для окрашенных волос. Присутствие данного компонента в этих продуктах,  обеспечивает удерживание  цвета.

Тридецет-12 (Trideceth-12) , Тридецет-6(Trideceth-6)
эмульгатор для амодиметикона. Предотвращает накопление полимеров в волосах. 

Kerasol – основной компонент состава PRO-TECHS Keratin, который  восстанавливает структуру и блеск. Это структурный белок, выделенный из натуральной овечьей шерсти. Современные технологии позволяют сохранить его свойства в первозданном виде. А нано технологии, запатентованные учеными «Agnes Sorel Limited», позволяют беспрепятственно вводить его в пустоты, образовавшиеся в поверхности волос благодаря агрессивной окружающей среде, ультрафиолетовым лучам, красителям для волос и пр.

Для того, чтобы кератин долгое время удерживался в волосах, на него производится воздействие при помощи высоких температур 200-235 градусов. Воздействие осуществляется при помощи парикмахерского утюжка. Так как кератин, это белок, то при применении таких температур, происходит его коагуляция, что приводит к образованию пара и дыма, как при приготовлении пищи. Иногда, это может привести к незначительному раздражению слизистой оболочки глаз и верхних дыхательных путей. При выполнении процедуры бразильского кератинового выпрямления и восстановления волос этот является естественной реакцией. Обывательское мнение не профессионалов утверждает, что образование пара и дыма вызывает наличие формальдегида. Это совершенно не обоснованное утверждение. Так как формальдегид является консервантом не подверженным воздействию высоких температур, что было доказано научным путем в лабораториях Европы и Америки. Наличие формальдегида можно определить лишь при токсикологическом исследовании в лабораторных условиях. А ни как не по образованию пара при выполнении бразильского кератинового выпрямления и восстановления волос.

Метилхлороизотиазолинон, метилизотиазолинон консервант— нетоксичный,  антибактериальный компонент, обладающий широким спектром противомикробного действия в отношении гамма-отрицательных и гамма-положительных бактерий грибков дрожжей. В косметике широко используются в препаратах для волос, для душа и ванны, в средствах для ухода за кожей. Именно этот ингредиент заменяет формальдегиды и порабены, опасные для здоровья консерванты в составе препарата PRO-TECHS Keratin.

Особенности применения и противопоказания:

Как и любое косметическое средство PRO-TECHS Keratin имеет особенности применения и противопоказания.

При первичном применении провести тест на аллергию.

Не рекомендуется применение состава при наличии раздражения и повреждения кожных покровов.

Непереносимость компонентов.

Беречь от детей.

Не употреблять в пищу. При случайном проглатывании незамедлительно обратиться к врачу.

При попадании на слизистую оболочку глаз промыть обильно водой.

Процедуру выполнять в хорошо проветриваемом помещении.

Болезни органов дыхания (астма).

Результат применения:

Полностью разглаживается структура волоса.

Волосы становятся прямыми и гладкими.

Облегчается расчесывание и укладка.

Появляется блеск и эластичность.

Полностью, на 100%  восстанавливаются даже сильно поврежденные красителями и химической завивкой волосы.

Долговременный результат от 3х до 6 месяцев, в зависимости от пористости волос и использовании рекомендуемых ухаживающих средств .

Способ применения:

1. Дважды промыть волосы специальным шампунем глубокой очистки. Не наносить бальзамы и кондиционеры!

2. Полностью высушить волосы феном.

3. Равномерно нанести кератин на высушенные волосы, отступая 1-2см от корней.

4. Выдержать 30 мин.

5. Повторно высушить волосы феном. Не смывать состав!

6. Разделяя волосы на мелкие пряди вытянуть их утюжком при температуре от 200градусов на сильно поврежденные волосы, до 235 градусов на жесткие и вьющиеся волосы. Каждую прядь протягивать от 5 до 7 раз.

7. Следующее мытье волос рекомендовано не ранее чем через 48-72 часа.

Приглашаем региональных дилеров на выгодных условиях.

Опасайтесь подделок. Оригинальный английский продукт защищен голограммой.

Дорогие друзья и коллеги.

Внимание!!! На российском рынке появился поддельный продукт китайских производителей. Мы нашли способ защитить наши товары. Теперь оригинальная серия товаров марки Pro-Techs имеет трех уровневую защиту. На задней стороне флакона размещена информация об использовании препаратов на руском языке и контакты официального дилера компании «ПрофМедГрупп». На этикетке снизу слева расположен QR код, при сканировании которого вы переходите на наш сайт. В нижней правой части расположен штрих код с информацией о компании. На тыльной стороне флакона так же нанесена трехмерная галограмма с изображением земного шара и номером. Номера на галограмме не повторяются. Каждому флакону из партии присвоен свой индивидуальный номер. Если у Вас возникли сомнения в купленом товаре, вы можете уточнить информацию о его подлинности, позвонив нам на горячую линию, и назвав номер, указанный на галограмме. Компания «ПрофМедГрупп» и производитель, не несут ответственности, за качество товара и безопастность его использования, в случаи, если он приобретен не на сайтах, указанных ниже.

http://profmedgroup.ru/

http://profmedimport.ru

http://cavitation.pul.ru

http://m.vk.com/protechskeratins

http://m.vk.com/id350104978

http://biznes-servis.blizko.ru/tovary/189195-kosmeticheskiye_sredstva

Все прочие сайты не указанные в этом списке являются сомнительными, с недостоверным происхождением. В том числе и сайты с одноименным названием и сайты клоны и товары размещенные на портале TIU.RU.

Мы будем пополнять список сайтов, торгующих оригинальными препаратами серии Pro-Techs Keratin по мере их появления.

Будьте внимательны при покупке товара!

Доставка по всей России: Екатеринбург, Ростов, Краснодар, Ростов на Дону, Новосибирск, Краснодар, Нижний Новгород, Самара, Воронеж, Днепропетровск, Казань, Саратов, Челябинск, Красноярск, Магадан, Волгоград, Пермь, Владивосток, Тула, Хабаровск, Челябинск, Барнаул, Тюмень, Калининград, Кемерово, Тюмень, Вологда, Ульяновск, Тольятти, Архангельск, Белгород, Брянск, Новороссийск, Севастополь, Сургут, Калуга, Сочи, Мурманск, Махачкала, Якутск. и другие. Мы доставим выбранный Вами товар в самые отдаленные города и поселки России.

Имеется российский сертификат соответствия.

ключевые поисковые фразы:

купить набор для кератинового выпрямления, кератин для волос в домашних условиях купить, кератин на розлив, l кератин купить, кератиновое восстановление волос купить пробный набор, кератины для волос, кератин research купить москва, кератин для волос, кератин ресерч купить в москве, кератиновое выпрямлениесредства купить, бразильское выпрямление волос цены, кератиновое восстановлениеволос купить средства, бразильское выпрямление волос кератином, эль кератин для похудения цена, nutrimax кератин купить в москве, где купить жидкий кератин, кератиновое лечение волос купить, global keratin купить, утюжок для кератинового выпрямления волос купить, кадевью кератин купить, нанокератин систем купить в москве,

Кератин❤️для волос в домашних условиях❤️шампунь, маска, спрей

Что такое кератин

Кератин – белок, выступающий главным структурным компонентом волоса. Наши волосы состоят на:

1% — из пигмента, определяющего их цвет;

6% — из липидов, определяющих их прочность;

15 % — из воды;

78 % — из белка кератина.

Здоровые, сильные, упругие волосы – показатель того, что защитные функции кератина полностью выполняют свою «работу». Дефицит белка иссушает волосы и приводит к их ломкости, делает хрупкими и пористыми.

Специальные бьюти-средства, содержащие кератин, помогают восстановить естественную защитную оболочку волос, заполняют поврежденные структуры, обеспечивают прядям силу и блеск.

Кератин – белок, обладающий механической прочностью и выступающий основным структурным компонентом волос, ногтей, зубов. Элемент отвечает за здоровье и красоту волос – он делает локоны сильными, упругими, устраняет ломкость. Организм человека вырабатывает белок самостоятельно, однако в результате ряда факторов его количество может стремительно уменьшиться.

Дефицит кератина в волосах обусловлен:

1. Отрицательным влиянием внешней среды – атмосферными осадками, УФ-излучением.
2. Стрессами, дестабилизацией работы нервной системы.
3. Неправильным питанием, агрессивными диетами.
4. Термическими обработками волос (регулярная сушка феном, использование выпрямителей или плоек).
5. Химическими завивками, окрашиванием.

Чтобы организм бесперебойно вырабатывал кератин, ему требуется постоянное питание определенными микроэлементами. Белок начинает вырабатываться активнее при постоянном употреблении рыбы, мяса, молочных продуктов. Ускорит выработку кератина витамин В6, содержащийся в орехах, сое, печени.

При этом важно учитывать, что темные волосы содержат большее количество кератина в сравнении со светлыми. Ровные волосы имеют содержат кератина, чем вьющиеся – из-за своей более плотной структуры.

Что делает кератин для волос

Польза кератина неоценима – когда другие элементы воздействуют исключительно на поверхность волоса, молекулы белка проникает глубоко в его структуру, восстанавливая изнутри.

Кератин для волос:

• делает пряди безупречно гладкими, придает им природный блеск;
• глубоко увлажняет локоны, избавляя их от ломкости, сечения;
• облегчает процесс расчесывания и укладки, устраняет «пушение»;
•  улучшает структуру волоса по всей длине;
• повышает прочность волос, создает на их поверхности мощную защитную оболочку от негативного воздействия внешней среды.

Интересно! История кератина как косметической процедуры берет начало в Бразилии. Сложная структура волос, которой наделены жители Южной Америки, обусловила необходимость «дисциплинирования» непослушных локонов. Именно здесь были разработаны первые косметические средства, позволяющие «вводить» кератин в структуру волоса. Позже моду на кератиновое выпрямление переняла Северная Америка, а после процедура стремительно популяризировалась во всем мире.

Кератин, привлекаемый для косметических процедур, добывают из овечьей шерсти, копыт млекопитающих, птичьих перьев. Молекулы кератина, полученные из указанных продуктов, обладают достаточно большой молекулярной массой, а значит не могут использоваться в чистом виде.

Для того, чтобы уменьшить вес молекул и позволить им проникать глубоко в структуру волоса, кератин гидролизуют (разбивают на более мелкие частички). Именно эти частички становятся основой для производства шампуней, ополаскивателей, масок с кератином, а также специальных средств для салонных процедур.

Кератин для волос: какая польза и портит ли кератин волосы

Неоценимые достоинства кератина легли в основу специальных уходовых процедур. Так, кератиновое восстановление волос привлекает нано-молекулы белка, которые делают волосы гладкими, шелковистыми и идеально ровными уже после первой процедуры.

Кератиновое восстановление волос предполагает проведение ряда этапов:

1. Тщательное мытье головы с использованием специального шампуня.
2. Распределение кератиновой маски по поверхности волос.
3. Сушка прядей феном.
4. Выпрямление сухих прядей утюжком (для «запечатывания» белка в структуру волоса).
5. Смывание излишков кератина, нанесение бальзама и сушка волос.

Что дает процедура кератинового восстановления? После ее проведения волосы:

• становятся ровными, гладкими, послушными;
• выглядят живыми и здоровыми;
• перестают сечься;
• теряют ломкость.

Кератин также создает на поверхности волос невидимый защитный слой, который уберегает их термической обработки, негативного воздействия внешний факторов (УФ-излучения, атмосферных осадков, ветра). Эффект от процедуры держится на протяжение 2-3 месяцев.

Есть ли недостатки? После процедуры волосы теряют объем, а после нанесение кератина разрешается пользоваться исключительно безсульфатными шампунями.

Кератиновое укрепление волос в домашних условиях

Благодаря современным бьюти-технологиям восстановление волос при помощи кератина доступно не только в салоне, но и дома. Производители предлагают кератинсодержащие линейки по уходу за волосами – шампуни, ополаскиватели, маски, масла.

Средства для волос с кератином

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Как подобрать средство, которое поможет восстановить кератиновый дефицит, не причинив вреда волосам? Перед покупкой уходовой косметики тщательно изучите состав. Максимально эффективные формулы содержат гидролизованный коллаген. Благодаря низкой массе его молекулы поникают глубоко в структуру волоса, а процесс гидролиза делает их водорастворимыми.

Обратите внимание на вредные добавки, самой опасной среди которых является формальдегид. Согласно стандартам, количество этого компонента в составах бьюти-средств не должно превышать 2%.

Значительным «плюсом» будет содержание в составе средства витаминов, масел, растительных экстрактов и вытяжек. Перечисленные ингредиенты усиливают действие кератина, обеспечивая волосам дополнительное увлажнение, питание и восстановление.

Шампунь для волос с кератином: топ от ISEI

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампуни с кератином активируют процессы производства естественных кератиновых волокон волос. Они направлены на восстановление, укрепление и защиту локонов от негативного воздействия внешних факторов.

Шампунь с кератином от Lador создает на волосах густую пену с мелкими пузырьками, которая отлично промывает волосы. Помимо функции очищения, состав продукта оказывает ряд дополнительных воздействий на локоны:

• кератин восстанавливает поврежденные участки, заполняя структуру каждого волоса изнутри;
• протеины шелка отвечают за упругость, силу и шелковистость прядей;
• эфирные масла питают волосы витаминами и микроэлементами, придавая им естественный блеск.

В составе шампуня отсутствуют сульфаты, силиконы, парабены. Его формула имеет прозрачную, не слишком плотную консистенцию, которая легко смывается с волос, оставляя им еле ощутимый цветочный аромат.

Средство от израильского производителя Natural Formula основано на силе двух мощных ингредиентов – кератина и пантенола. Кератин проникает глубоко в структуру волос, заполняя собой поврежденные чешуйки, а пантенол защищает пряди от термической обработки (воздействия фена, плойки).

Действие шампуня направлено на восстановление структуры и мягкости локонов, возвращение им естественного блеска. Шампунь подойдет обладательницам всех типов волос. В особенности рекомендован женщинам, часто пользующимся феном, плойкой, выпрямителями. Для облегчения расчесывания и укладки волос средство обогащено увлажняющими компонентами.

Melica Organic Volume Shampoo – относительно недорогое, но высокоэффективное средство от польского бренда, способное придать тонким волосам силу и дополнительный объем. Формула состава обогащена:

• кератином, проникающим глубоко в структуру каждого волоса, заполняя поврежденные участки;
• экстрактом меда, укрепляющем структуру волос;
• пшеничным белком, возвращающем прядям эластичность.

Прозрачный, пахнущий медом и легким цветочным ароматом, создающий мягкую, легкую пену – шампунь от Melica Organic особенно рекомендован обладательницам тонких, обессиленных волос. При регулярном использовании состав возвращает им жизненный тонус и обеспечивает объем.

Маска для волос с кератином: топ от ISEI

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Маска – косметический продукт, предназначенный для глубокого питания и восстановления волос. В особенности – если в составе средства присутствуют такие мощные ингредиенты, как кератин. Благодаря высокой концентрации активных компонентов результаты их воздействия заметны уже после первого применения, а при регулярном использовании продуктов (1-2 раза в неделю) волосы приобретают силу, упругость, шелковистость. 

Маска от Ellips направлена на смягчение, питание и глубокое увлажнение волос. При регулярном использовании состав делает пряди блестящими, послушными и гладкими, как шелк. Формула продукта интенсивно восстанавливает порожденные структуры и возвращает волосам жизненные силы.

Маска подходит для всех типов волос, особенно рекомендована обладательницам светлых, тонких волос. Она обладает мягким, деликатным действием и не слишком плотной текстурой, которая хорошо распределяется и легко смывается с волос.

Про-кератиновый комплекс, ставший основой состава, дополнен силой экстракта алоэ вера. Ингредиент увлажняет волосы, облегчая их расчесывание и уберегая от обезвоживания.

Масло для волос Ellips обогащено:

• про-кератиновым комплексом, восстанавливающим поврежденную структуру волос и придающим им гладкость шелка;
• экстрактами алоэ вера, возвращающим локонам естественный блеск и сохраняющим оптимальный уровень их увлажненности.

Масло от Ellips обеспечивает интенсивный несмываемый уход. Состав, помещенный в удобные в использовании капсулы, наносят на чистые, влажные волосы, деликатно распределяя от корней до самых кончиков.

Серия «Безупречный шелк» разработана специально для сухих и обезвоженных волос.

Масло «Шелковая ночь» обеспечивает восстановление и защиту для темных волос. Про-кератиновый комплекс, ставший основой формулы, мгновенно улучшает внешний вид и состояние локонов. Волосы становятся заметно более гладкими, мягкими и блестящими уже после первого нанесения.

Запатентованная технология индонезийского бренда Pro-Keratin Complex сглаживает кутикулу волоса и препятствует процессам потери влаги. Экстракты алоэ вера и масла кемири, дополняющие эффективность продукта, питают и возвращают темным локонам природный блеск.

Спрей для волос с кератином: топ от ISEI

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Шампунь для волос интенсивный на основе кератина, 400 мл

Шампунь для волос с кератином, 400 мл

Тканевая маска для лица увлажняющая с керамидами 27 мл

Сыворотка для волос восстанавливающая c кератином, 20 мл

Спрей для волос восстанавливающий с кератином, 30 мл

Масло для поврежденных волос с про-кератиновым комплексом Восстановление для волос , 50 капсул

Маска для всех типов волос Безупречный шелк с про-кератиновым комплексом, 18 гр

Лосьон для тела с керамидами 250 мл

Крем для тела с овсяными керамидами, 200 мл

Крем для лица увлажняющий и смягчающий с керамидами, 50 мл

Кондиционер для волос интенсивный с кератином, 400 мл

Кератиновая маска для экспресс восстановления, 200 мл

Спреи для волос обеспечивают прядям мощный несмываемый уход. Спреи различают по назначению, способу воздействия, составу.

Восстанавливающий спрей Lador предназначен для всех типов волос, нуждающихся в повышении эластичности, смягчении, устранении сухости и ломкости.

Состав спрея обогащен:

• кератином, заполняющим «пустоты» в структуре волоса и «склеивающим» посеченные кончики;
• коллагеном, укрепляющим и разглаживающим локоны, придающим им блеск и гладкость.

Спрей наносят на чистые, немного подсушенные волосы, распределяя от корней до кончиков, но не затрагивая кожу головы. Его используют в качестве уходового средства или непосредственно перед процедурой окрашивания/химической завивки волос.

Lador Eco Before PPT – средство в форме спрея, предназначенное для защиты волос от агрессивных косметических процедур (окрашивание, химическая завивка) и негативного воздействия факторов внешней среды.

Богатый состав спрея обеспечивает прядям комплексный уход:

• кератин восстанавливает поврежденную структуру волоса и решает проблему секущихся кончиков;
• коллаген увлажняет волосы, защищая их от обезвоживания и ломкости;
• муцин улитки регенерирует волосяной покров, возвращает ему жизненную энергию;
• масло моринги оказывает на пряди антиоксидантное воздействие, стимулирует процессы регенерации поврежденных структур.

Спрей можно использовать ежедневно – в качестве термозащиты или как дополнительную защиту перед проведением агрессивных процедур.

Что такое кератиновое восстановление волос?

«Восстановление волос кератином применяется сравнительно недавно. Методика вызвала много споров о безопасности составов, степени эстетического и лечебного эффекта. Редакция Аллюр Косметикс решила выяснить, какие результаты можно получить при проведении процедуры, является ли восстановление волос кератином эффективным для поврежденных волос и почему волосы теряют блеск и эластичность?» 

Основной причиной истощения волос является потеря белка кератина, из которого они состоят на 90%. Волосы ежедневно подвергаются различным стрессовым факторам — облучаются ультрафиолетом, укладываются горячим воздухом, стягиваются тугими резинками. В результате кутикула повреждается, кератин вымывается, а волосы тускнеют и секутся. 

Как происходит лечение волос кератином?

От концентрации кератина в волосах зависит их структура и общее состояние. Самым простым способом восполнения кератина является применение обогащенных кератином средств ухода в домашних условиях. Но широко известные шампуни, ополаскиватели, бальзамы и маски не содержат кератин в чистом виде. В этих средствах чаще всего применяется раздробленные мелкие компоненты продукта. Расщепление помогает молекулам кератина легко проникать в структуру волос, но низкая концентрация состава в домашнем уходе не позволяет в полной мере проявлять лечебные свойства.   

Концентрированный чистый кератин стоит намного дороже и обладает гораздо большим восстановительным и эстетическим эффектом. По мнению экспертов кератиновое восстановление в салоне несомненно даст лучший эффект волосам. 

Руководитель технологического сервиса SCHWARZKOPF PROFESSIONAL Россия, Татьяна Шаркова отмечает:

«Кератин в салонах представлен в двух видах, микронизированный и гидролизированный. Оба вида – измельченный до невероятно малых размеров кератин. Они глубоко проникают в структурные слои волос на уровень межклеточной мембраны и усиливают межклеточный цемент, который отвечает за прочность и эластичность волос» 

Лечение кератином достигается за счет проникновения жидкого кератина в волосы и восполнения дефицита белка. Средства для кератинового восстановления волос заполняют пустоты природного кератинового покрытия на поврежденных участках. Процедура укрепляет и выравнивает волосы, защищает от горячего воздуха и ультрафиолета, делает волосы послушными, существенно облегчает укладку. 

Парикмахеры-стилисты утверждают:

«Кератин полностью восстанавливает структуру волосяного волокна, он рекомендован в качестве профилактического и лечебного средства при обесцвечивании, мелировании, длительном использовании утюжков и фенов.» 

После процедуры волос восстанавливается, кутикула укрепляется, а результат сохраняется  на длительный срок.

Как выбрать средство для выпрямления волос? 

При  вы боре средств для выпрямления особое значение следует уделять концентрации кератина в составе продуктов. Именно он заполнит пустоты в структуре волоса и обеспечит им надлежащее восстановление. 

В продукции большинства компаний концентрация кератина довольно низкая – от 2 до 8%. Однако, данный нелицеприятный факт производители не спешат афишировать. Возникает вполне закономерный вопрос: может ли такое низкое содержание кератина оказать восстанавливающее воздействие на волосы? Ответ «нет» здесь абсолютно очевиден. 

Другой важный момент, системы выпрямления большинства марок представленных сегодня на рынке содержат в своем составе вещества, способные при нагревании выделять пары формальдегида в опасных концентрациях. Формальдегид является токсичным канцерогеном, который может вызвать серьезные заболевания, включая кожные дерматиты и рак.    

Во время процедуры кератинового выпрямления пары формальдегида выступают в качестве агента, который обеспечивает выравнивание волос за счет частичного или полного разрушения дисульфидных связей. В итоге, поврежденный волос расправляется, однако его внутренняя структура остается нарушенной, что приводит к постепенному разрушению волос. Ухудшение состояния волосяного покрова станет особенно заметным после повторной процедуры – волосы начнут ломаться, пушиться, теряя ухоженный вид. Вернуть им первоначальное состояние будет невозможно, так как восстановления разрушенных связей произойдет только после полного обновления волос. 

В Украине санитарный надзор к концентрации формальдегида в косметических средствах относится равнодушно. В Канаде, Америке и Европе допускаются к применению косметические препараты с содержанием формальдегида 0,2%.

Средства для кератинового выпрямления с минимальным и совершенно безопасным уровнем содержания формальдегида уже созданы и успешно применяются мастерами.  

Лучшие средства для выпрямления волос

Редакция Аллюр Косметикс рекомендует применять исключительно безопасные составы для кератинового выпрямления волос.

GlobalKeratin

Один из наиболее популярных. Состав не содержит формальдегидов. Жидкий кератин получают из очищенной шерсти овец, обитающих на природных пастбищах Новой Зеландии.  

Прямой дистрибьютор Global Keratin Александр Чуняк отмечает:

«Формула GlobalKeratin оригинальна и защищена патентом. Она подходит для выравнивания волос любого типа. При этом, эффект лечебного  восстановления кератином проявляется сильнее на более поврежденных волосах»

Keratin Complex

Содержит более 40% кератина, который получают из шерсти овец, выращенных в альпийском регионе.

Благодаря высокой концентрации состав обогащает волосы кератином изнутри. Главное отличие Keratin Complex состоит в оригинальном действии состава. Проведение процедуры не вызывает разрушения дисульфидных связей волос. Напротив, связи приобретают дополнительную эластичность и растягиваются. Таким образом, несколько месяцев спустя, после того как эффект от процедуры станет менее заметным, волосы вернутся к первоначальному состоянию.  

Этапы процедуры выпрямления и восстановления волос кератином

1. Для глубокой очистки и открытия наружного слоя (кутикулы) волосы тщательно моют кислотным шампунем.

2. Высушивают до 90% влажности, разделяют на тонкие пряди и кисточкой наносят на каждую кератиновый комплекс.

3. Оставляют на некоторое время для выдержки.

4. Убирают излишки каратина мягким полотенцем.

5. Высушивают волосы и аккуратно выравнивают утюжком. 

Кератиновое выпрямление запечатывает повреждения кутикулы волос высушенным жидким кератином. 

Как сохранить результат?

Успех кератинового выпрямления на 50% зависит от ухода за волосами, особенно в первые дни после процедуры. Кератин проходит полный цикл полимеризации за 72 часа после выпрямления.    

На протяжении этого периода запрещается:

• закалывать волосы, фиксировать резинками;

• убирать за уши;

• использовать зажимы, резинки заколки;

• мыть волосы;

• заниматься спортом.

Желательно поддерживать волосы в выпрямленном состоянии. Случайно намокшие волосы необходимо полностью высушить и прогладить утюжком. Если все сделано правильно эффект кератинового выпрямления сохраняется 3 месяца. В уходе за волосами после процедуры необходимо использовать только бессульфатные шампуни и несмываемые восполнители кератина. Сульфаты вымывают обеспечивающие восстановление волос  вещества. Эффект выпрямления полностью исчезнет, если вымыть волосы сульфатным шампунем несколько раз.  

Сохранить волосы гладкими, помогут наборы по уходу за волосами, после кератинового выпрямления, той же марки, что и кератиновый состав. Эти средства дадут самый хороший результат.

Подводим итоги — проводить кератиновое восстановление имеет смысл

Методика дает возможность получить отличные результаты даже на серьезно поврежденных волосах. Лечение кератином вернет блеск, красоту и гладкость. Жидкий кератин при нагревании способен склеить покровные чешуйки волос и сформировать на поверхности защитную пленку, которая запечатывает кератин внутри волоса. В результате, волосы наполняются кератином, кутикула полностью восстанавливается.

Помимо отличного состояния волос, дополнительным бонусом является более легкий уход за волосами после процедуры. Для ежедневного ухода вам будет достаточно одного бальзама. От масок и масел можно отказаться. Метод кератинового восстановления безусловно отличный, но маленький недостаток в нем все-таки есть. Сохранить объем на прежнем уровне не удастся. 

Адреса салонов рекомендуемых компаниями «Глобал Кератин», «Кератин Комплекс» 

1

проспект Бажана, 12

(м. Осокорки)

5772596, 5771701,

(098) 106-16-70, (066) 323-61-56

2

ТК «Метроград»

(Квартал услуг)

247-55-22

3

проспект Победы, 20

(м. Политехнический институт)

498-21-21, (063) 32-37-724

4

ТК «Метрополис»

(м. Оболонь)

585-14-25

5

Эгоист&ка на Оболони:

просп. Героев Сталинграда 20

тел. (067) 988-08-42, (066) 358-58-64, (073) 047-95-85

6

Эгоист&ка на Осокорках:

просп. Николая Бажана 14

тел. (044) 362-69-74, (096) 338-48-87, (095) 596-53-63, (093) 300-84-80

Структура и состав волос

Анатомия волосистой части головы

Волосы растут из фолликулов, расположенных на стыке глубоких слоев дермы и гиподермы. Эти фолликулы также известны как луковицы волос.

Кровоток обеспечивается небольшим сосудом, который проходит через стержень волоса изнутри, обеспечивая волосы всеми жизненно важными элементами, необходимыми для сохранения здоровья, такими как аминокислоты, минеральные соли или витамины.

Стержень волоса окружен железами, наиболее важной из которых является сальная железа, вырабатывающая кожный жир, который действует как естественная смазка для волос.

Поры на поверхности кожи головы отводят пот, выделяемый потовыми железами.

Структура волос

Волосы на 95% состоят из кератина, волокнистого спиралевидного белка (имеющего форму спирали), который является частью кожи и всех ее придатков (волос на теле, ногтей и т. Д.)).

Кератин синтезируется кератиноцитами и не растворяется в воде, что обеспечивает непроницаемость и защиту волос.

В волосах содержится около 18 аминокислот, таких как пролин, треонин, лейцин и аргинин. Кератин особенно богат цистеином (тип сульфидной аминокислоты), который образует дисульфидные связи между молекулами, добавляя жесткости и устойчивости всей структуре.

Волос можно разделить на 3 части:

— Медулла: самый внутренний слой стержня волоса, состоящий из аморфного мягкого маслянистого вещества

— Кутикула: тонкий внешний защитный слой, содержащий питательную часть, необходимую для роста волос.Он сильно ороговевший, состоит из
клеток, имеющих форму чешуек, которые наложены друг на друга, размером около 60 микрометров в длину и около 6 микрометров в ширину.

— Кора: основной компонент волос, содержащий длинные цепочки кератина, которые придают волосам эластичность, эластичность и устойчивость. Клетки
коры головного мозга соединены межклеточным цементом, богатым липидами и белками. Каждая клетка состоит из пучков, лежащих в направлении
длины волоса: это макрофибриллы, состоящие из микрофибрилл, которые, в свою очередь, содержат протофибриллы.

Роль меланоцитов и кератиноцитов

Кора волоса также содержит меланин. Меланин, производимый специализированными клетками, называемыми меланоцитами, является пигментом, отвечающим за цвет волос.

Расположенные рядом с волосяной луковицей меланоциты вводят пигменты в кератиноциты нового стержня волоса.

Цвет сохраняется в течение всего цикла волос, от зарождения до конца, когда волосы выпадают.

Структура волос людей

, , и

Fei-Chi Yang

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

Yuchen Zhang

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

Майкел К. Райнштедтер

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

Академический редактор: Микко Карттунен

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

Автор, ответственный за переписку.

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

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, что это правильно указано. Для указания авторства необходимо указать автора (авторов), название, 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 свободно упакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой , 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 были тщательно изучены с использованием 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 с высоким разрешением, 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, кажется, 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 — важный шаг 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 многих 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; Уилк, 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, в исследование также включены 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 кератиновых белков и промежуточных филаментов в кортексе , а также 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 в основных молекулярных размерах, 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 в генетически связанных образцах волос не наблюдались или наблюдались небольшие различия, а не внешние факторы, такие 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 50–100 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 обнаружено, что корковые клетки делятся 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 с образованием единой промежуточной нити 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 волокон 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). До сих пор существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было установлено, 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 области кутикула-кутикула связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры головного мозга связаны нековалентно (Robbins, 2012).Дальнейшие доказательства 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 клеточной мембраны кутикула-кора представляет собой смесь этих двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , похожа на кутикула-кутикула мембран, 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 скальпа 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 особи включают мужчин и женщин с волосами разного 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.

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 прикреплены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора — это место, где происходит рассеяние на образце волос. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с использованием липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, использованный 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 по 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 Rigaku Smartlab 9 кВт (45 кВ, 200 мА) CuK α Rigaku Smartlab 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, что около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двухмерных 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 длины примерно 13 Å.

Двумерные рентгеновские снимки 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 примерно от 3 до 90 Å для изучения особенностей спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых волокон в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на двухмерных 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 обозначаем 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 двумерная 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 -кератин, 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 интеграции. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания формы ( 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, 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 ориентировали 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

Белковая фаза спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в кортексе организованы в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого паттерна 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, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики связаны с типичными α -спиральными структурами мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикула .

Основным компонентом коры головного мозга является фаза кератинового белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой и слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга 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, в виде интенсивности кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкого кольцевого рассеяния 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

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 осевого смещения 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, в которых используются прямые димеры 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 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 характеристик рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокна 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 внутри спиральных спиралей.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q ), также есть 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), положение которых нанесено на график. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å превосходно 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 Å, 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 Rafik, Doucet & Briki (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.

Маленький диапазон q _‖ показан в увеличении 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 рентгеновских экспериментов

На основе двухмерных 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 волокон 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 небольшие угловые сигналы, обусловленные образованием 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), обнаружив 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 однокомпонентных 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 около 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 пример. 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 области мембраны различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов показывают 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. Однояйцевые или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития и имеют 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 рентгеновского луча. 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 кортексе 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 наукам 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 (т. Е. Утверждающего органа и любых справочных номеров):

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, Хьюнь 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 / S0909

37.[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

Волосы — это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой свободно упакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой , 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 были тщательно изучены с использованием 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 с высоким разрешением, 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, кажется, 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 — важный шаг 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 многих 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; Уилк, 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, в исследование также включены 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 кератиновых белков и промежуточных филаментов в кортексе , а также 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 в основных молекулярных размерах, 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 в генетически связанных образцах волос не наблюдались или наблюдались небольшие различия, а не внешние факторы, такие 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 50–100 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 обнаружено, что корковые клетки делятся 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 с образованием единой промежуточной нити 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 волокон 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). До сих пор существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было установлено, 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 области кутикула-кутикула связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры головного мозга связаны нековалентно (Robbins, 2012).Дальнейшие доказательства 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 клеточной мембраны кутикула-кора представляет собой смесь этих двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , похожа на кутикула-кутикула мембран, 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 скальпа 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 особи включают мужчин и женщин с волосами разного 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.

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 прикреплены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора — это место, где происходит рассеяние на образце волос. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с использованием липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, использованный 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 по 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 Rigaku Smartlab 9 кВт (45 кВ, 200 мА) CuK α Rigaku Smartlab 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, что около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двухмерных 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 длины примерно 13 Å.

Двумерные рентгеновские снимки 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 примерно от 3 до 90 Å для изучения особенностей спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых волокон в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на двухмерных 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 обозначаем 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 двумерная 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 -кератин, 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 интеграции. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания формы ( 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, 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 ориентировали 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

Белковая фаза спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в кортексе организованы в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого паттерна 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, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики связаны с типичными α -спиральными структурами мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикула .

Основным компонентом коры головного мозга является фаза кератинового белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой и слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга 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, в виде интенсивности кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкого кольцевого рассеяния 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

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 осевого смещения 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, в которых используются прямые димеры 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 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 характеристик рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокна 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 внутри спиральных спиралей.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q ), также есть 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), положение которых нанесено на график. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å превосходно 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 Å, 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 Rafik, Doucet & Briki (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.

Маленький диапазон q _‖ показан в увеличении 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 рентгеновских экспериментов

На основе двухмерных 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 волокон 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 небольшие угловые сигналы, обусловленные образованием 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), обнаружив 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 однокомпонентных 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 около 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 пример. 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 области мембраны различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов показывают 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. Однояйцевые или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития и имеют 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 рентгеновского луча. 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 кортексе 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 наукам 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 (т. Е. Утверждающего органа и любых справочных номеров):

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, Хьюнь 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 / S0909

37.[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

Волосы — это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой свободно упакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой , 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 были тщательно изучены с использованием 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 с высоким разрешением, 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, кажется, 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 — важный шаг 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 многих 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; Уилк, 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, в исследование также включены 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 кератиновых белков и промежуточных филаментов в кортексе , а также 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 в основных молекулярных размерах, 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 в генетически связанных образцах волос не наблюдались или наблюдались небольшие различия, а не внешние факторы, такие 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 50–100 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 обнаружено, что корковые клетки делятся 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 с образованием единой промежуточной нити 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 волокон 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). До сих пор существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было установлено, 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 области кутикула-кутикула связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры головного мозга связаны нековалентно (Robbins, 2012).Дальнейшие доказательства 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 клеточной мембраны кутикула-кора представляет собой смесь этих двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , похожа на кутикула-кутикула мембран, 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 скальпа 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 особи включают мужчин и женщин с волосами разного 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.

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 прикреплены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора — это место, где происходит рассеяние на образце волос. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с использованием липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, использованный 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 по 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 Rigaku Smartlab 9 кВт (45 кВ, 200 мА) CuK α Rigaku Smartlab 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, что около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двухмерных 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 длины примерно 13 Å.

Двумерные рентгеновские снимки 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 примерно от 3 до 90 Å для изучения особенностей спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых волокон в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на двухмерных 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 обозначаем 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 двумерная 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 -кератин, 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 интеграции. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания формы ( 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, 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 ориентировали 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

Белковая фаза спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в кортексе организованы в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого паттерна 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, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики связаны с типичными α -спиральными структурами мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикула .

Основным компонентом коры головного мозга является фаза кератинового белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой и слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга 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, в виде интенсивности кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкого кольцевого рассеяния 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

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 осевого смещения 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, в которых используются прямые димеры 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 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 характеристик рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокна 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 внутри спиральных спиралей.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q ), также есть 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), положение которых нанесено на график. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å превосходно 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 Å, 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 Rafik, Doucet & Briki (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.

Маленький диапазон q _‖ показан в увеличении 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 рентгеновских экспериментов

На основе двухмерных 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 волокон 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 небольшие угловые сигналы, обусловленные образованием 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), обнаружив 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 однокомпонентных 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 около 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 пример. 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 области мембраны различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов показывают 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. Однояйцевые или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития и имеют 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 рентгеновского луча. 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 кортексе 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 наукам 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 (т. Е. Утверждающего органа и любых справочных номеров):

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, Хьюнь 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 / S0909

37.[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

Волосы — это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой свободно упакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой , 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 были тщательно изучены с использованием 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 с высоким разрешением, 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, кажется, 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 — важный шаг 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 многих 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; Уилк, 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, в исследование также включены 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 кератиновых белков и промежуточных филаментов в кортексе , а также 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 в основных молекулярных размерах, 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 в генетически связанных образцах волос не наблюдались или наблюдались небольшие различия, а не внешние факторы, такие 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 50–100 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 обнаружено, что корковые клетки делятся 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 с образованием единой промежуточной нити 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 волокон 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). До сих пор существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было установлено, 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 области кутикула-кутикула связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры головного мозга связаны нековалентно (Robbins, 2012).Дальнейшие доказательства 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 клеточной мембраны кутикула-кора представляет собой смесь этих двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , похожа на кутикула-кутикула мембран, 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 скальпа 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 особи включают мужчин и женщин с волосами разного 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.

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 прикреплены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора — это место, где происходит рассеяние на образце волос. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с использованием липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, использованный 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 по 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 Rigaku Smartlab 9 кВт (45 кВ, 200 мА) CuK α Rigaku Smartlab 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, что около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двухмерных 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 длины примерно 13 Å.

Двумерные рентгеновские снимки 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 примерно от 3 до 90 Å для изучения особенностей спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых волокон в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на двухмерных 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 обозначаем 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 двумерная 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 -кератин, 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 интеграции. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания формы ( 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, 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 ориентировали 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

Белковая фаза спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в кортексе организованы в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого паттерна 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, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики связаны с типичными α -спиральными структурами мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикула .

Основным компонентом коры головного мозга является фаза кератинового белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой и слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга 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, в виде интенсивности кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкого кольцевого рассеяния 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

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 осевого смещения 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, в которых используются прямые димеры 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 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 характеристик рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокна 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 внутри спиральных спиралей.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q ), также есть 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), положение которых нанесено на график. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å превосходно 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 Å, 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 Rafik, Doucet & Briki (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.

Маленький диапазон q _‖ показан в увеличении 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 рентгеновских экспериментов

На основе двухмерных 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 волокон 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 небольшие угловые сигналы, обусловленные образованием 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), обнаружив 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 однокомпонентных 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 около 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 пример. 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 области мембраны различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов показывают 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. Однояйцевые или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития и имеют 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 рентгеновского луча. 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 кортексе 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 наукам 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 (т. Е. Утверждающего органа и любых справочных номеров):

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, Хьюнь 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 / S0909

37.[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

Волосы — это нитчатый биоматериал, состоящий в основном из белков, в частности кератина. Структура человеческого волоса хорошо известна: мозговое вещество представляет собой свободно упакованную, неупорядоченную область около центра волоса, окруженную коркой , 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 были тщательно изучены с использованием 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 с высоким разрешением, 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, кажется, 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 — важный шаг 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 многих 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; Уилк, 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, в исследование также включены 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 кератиновых белков и промежуточных филаментов в кортексе , а также 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 в основных молекулярных размерах, 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 в генетически связанных образцах волос не наблюдались или наблюдались небольшие различия, а не внешние факторы, такие 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 50–100 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 обнаружено, что корковые клетки делятся 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 с образованием единой промежуточной нити 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 волокон 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). До сих пор существует много предположений относительно точной структуры бета- и дельта-слоев. Однако было установлено, 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 области кутикула-кутикула связаны ковалентно, а большинство жирных кислот в бета-слоях коры головного мозга связаны нековалентно (Robbins, 2012).Дальнейшие доказательства 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 клеточной мембраны кутикула-кора представляет собой смесь этих двух, причем сторона, обращенная к кутикуле , похожа на кутикула-кутикула мембран, 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 скальпа 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 особи включают мужчин и женщин с волосами разного 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.

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 прикреплены к гибкому картонному устройству, как показано на рис. Вырез в середине прибора — это место, где происходит рассеяние на образце волос. Картонное устройство затем устанавливают вертикально на загрузочную пластину эксперимента по дифракции под большим углом (BLADE) с использованием липкой замазки, как показано на рис. Все образцы волос были измерены при комнатной температуре и влажности 22 ° C и относительной влажности 50%.

Аппарат, использованный 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 по 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 Rigaku Smartlab 9 кВт (45 кВ, 200 мА) CuK α Rigaku Smartlab 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, что около 15 мм прядей волос освещались с шириной около 100 мкм. Эффект этой конкретной геометрии луча виден в двухмерных 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 длины примерно 13 Å.

Двумерные рентгеновские снимки 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 примерно от 3 до 90 Å для изучения особенностей спиральной спирали α -кератиновой фазы, промежуточных кератиновых волокон в кортексе и мембранного слоя в мембранном комплексе.В то время как общие черты можно легко идентифицировать на двухмерных 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 обозначаем 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 двумерная 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 -кератин, 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 интеграции. Наблюдались различимые пики, которые соответствовали наименьшему количеству функций пиков Лоренца с экспоненциальным фоном затухания формы ( 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, 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 ориентировали 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

Белковая фаза спиральной спирали в коре головного мозга

Известно, что кератиновые белки в кортексе организованы в пучки, в структурах которых преобладают α -спиральные спиральные спирали (Pauling & Corey , 1950; Pinto et al., 2014; Yang et al., 2014). Основными особенностями этого паттерна 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, эти сигналы наблюдались в рентгеновских данных во всех образцах и относились к фазе белка спиральной спирали.Мы отмечаем, что эти пики связаны с типичными α -спиральными структурами мономерных белков, а не специфичны для определенного типа белка.

Иерархическая структура волос в коре головного мозга и кутикула .

Основным компонентом коры головного мозга является фаза кератинового белка спиральной спирали. Белки образуют промежуточные волокна, которые затем организуются в все более крупные волокна. Волосы окружены кутикулой и слоем мертвых клеток.Общими чертами, наблюдаемыми в рентгеновских данных всех образцов, являются сигналы, связанные с фазой кератина спиральной спирали и образованием промежуточных филаментов в коре головного мозга 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, в виде интенсивности кольцевого рассеяния при q -значениях ∼0,1 Å ^-1 и широкого кольцевого рассеяния 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

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 осевого смещения 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, в которых используются прямые димеры 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 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 характеристик рассеяния, двумерные данные для всех 12 человек были интегрированы в экваториальной плоскости ( q _‖ -оси) волос волокна 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 внутри спиральных спиралей.Средние значения и стандартные отклонения указаны в (B).

В направлении, перпендикулярном оси волосяного волокна ( q ), также есть 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), положение которых нанесено на график. Сигналы при 5,0 и 9,5 Å превосходно 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 Å, 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 Rafik, Doucet & Briki (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.

Маленький диапазон q _‖ показан в увеличении 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 рентгеновских экспериментов

На основе двухмерных 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 волокон 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 небольшие угловые сигналы, обусловленные образованием 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), обнаружив 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 однокомпонентных 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 около 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 пример. 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 области мембраны различаются (как показано на рисунке), генетически похожие волосы отца и дочери и однояйцевых близнецов показывают 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. Однояйцевые или монозиготные близнецы происходят от одной зиготы во время эмбрионального развития и имеют 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 рентгеновского луча. 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 кортексе 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 наукам 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 (т. Е. Утверждающего органа и любых справочных номеров):

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, Хьюнь 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 / S0909

37.[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