Портал функционирует при финансовой поддержке Министерства цифрового развития, связи и массовых коммуникаций.

Почему курчавятся волосы?

Кирилл Стасевич

Чего мы только не делаем со своими волосами, чтобы, как нам кажется, выглядеть привлекательнее! Регулярно стрижём, красим и перекрашиваем в разные цвета, завиваем, распрямляем и укладываем с помощью разных химических средств и приспособлений. Но если одному, чтобы завить свои прямые волосы, нужно изрядно помучиться, то другому волнистые или курчавые волосы достались от рождения. И зачастую в голову с курчавыми волосами приходит мысль, как бы их распрямить, а в голову с прямыми — как бы их завить или превратить в пышные локоны. Почему же у одних людей волосы вьются, а у других нет, и что отличает прямой волос от вьющегося?

Фото Натальи Домриной.
Структура волоса. Снаружи волос окружает кутикула из нескольких слоёв мёртвых клеток, защищающих волос от внешней среды. Основная часть волоса — кортекс, или кортикальный слой, образованный кортикальными клетками и межклеточным веществом (матриксом). Кортикальные клетки заполнены кератином, образующим толстые нити-фибриллы. Иллюстрация: www.pinterest.ru.
Молекулы кератина в волосе соединены дисульфидными мостиками между цистеинами. При химической завивке дисульфидные мостики рвутся, и атомы серы получают в напарники по атому водорода. Затем в завитом волосе у серы снова отбирают водород, и атомы серы образуют новые дисульфидные мостики, которые теперь удерживают волос в изогнутом состоянии. Иллюстрация: evoice.ewha.ac.kr.
Волосяная луковица состоит из нескольких типов клеток (обозначены разными цветами), которые образуют слои. Часть клеток (обозначены красным) идёт на образование волоса: по мере созревания они вытягиваются и накапливают в себе кератин. Иллюстрация: Dr. Claire Higgins/onlinelibrary.wiley.com.

Механизмы естественного и искусственного «закурчавливания» волос похожи, но только лишь отчасти. С биологической точки зрения, искусственная завивка более понятна, с неё и начнём.

Посмотрим на то, как устроен человеческий волос на молекулярном уровне. По большей части волосы состоят из вытянутых, спиралеобразных молекул белка кератина. Белковые молекулы соединяются в пучки, обвиваются вокруг друг друга и перекрывают друг друга так, чтобы конец одной молекулы соединялся с началом другой. Вместе их удерживает множество связей различной природы.

Любой белок — это последовательность аминокислот, разных по химическому строению. В зависимости от того, как устроена аминокислота, она будет тянуться к той или другой аминокислоте в той же самой молекуле белка или в молекуле по соседству. Например, отрицательно заряженная аминокислота предпочтёт быть рядом с положительно заряженной. И точно так же гидрофобные аминокислоты, которые не любят воду, будут стараться держаться вместе и подальше от воды.

Среди аминокислот есть одна, в состав которой входит сера. Это аминокислота цистеин. Когда рисуют её структурную формулу, то к атому серы обычно добавляют атом водорода. Но водород для серы не очень стабильный партнёр, и поэтому атом серы в одном цистеине с готовностью соединяется с атомом серы в другом цистеине — лишь бы два цистеина оказались рядом, чтобы между ними смогла образоваться перемычка из двух атомов серы. Получается так называемый дисульфидный мостик — очень прочная ковалентная связь. (Кстати говоря, приблизительно то же самое происходит при вулканизации резины, только там к каучуку специально добавляют реагенты с серой, и сера сшивает молекулы каучука в единую пространственную сетку.) Дисульфидные мостики, как скрепки, держат структуру молекулы (если они образовались внутри одного и того же белка) или межмолекулярных комплексов (если они образовались между разными белковыми молекулами).

В кератине много цистеинов, и в основном благодаря дисульфидным мостикам между ними волос не рассыпается в крошку — мостики держат кератиновые молекулы вместе. Если у вас прямой волос и если вы его, например, намотаете на палец, дисульфидные связи не разорвутся, и когда вы волос отпустите, он распрямится. Точно так же можно вручную растягивать вьющийся волос — как только вы его отпустите, он сразу же скрутится обратно в пружинку. Однако, при всей их прочности, дисульфидные мостики всё-таки можно разорвать с помощью специальных реагентов, задача которых — разъединить атомы серы между цистеинами, а потом снова соединить. Перед тем, как их соединять, волос изгибают, скручивают, наматывают на что-то, чтобы придать ему нужную форму, — новые дисульфидные мостики должны образоваться за время, пока волос скручен, чтобы новая форма закрепилась.

Есть более щадящий способ завивки, когда волосы закручивают электрощипцами. Тут тоже дело в физико-химических связях, только в других.

Мы говорили, что аминокислоты могут притягиваться как «плюс» и «минус»: в одной аминокислоте есть атомы с более положительным зарядом, а в другой — с более отрицательным, и если аминокислоты находятся рядом друг с другом, между ними возникает электростатическое притяжение. Так происходит, например, при формировании водородной связи. На атоме водорода, который входит в состав одной аминокислоты, появляется слабый положительный заряд, и он будет притягиваться к отрицательно заряженному атому у другой аминокислоты. Водородные связи широко распространены в биомолекулах, но при этом они очень непрочные. Другие виды связи, тоже основанные на электростатическом притяжении, но без посредника — водорода, будут прочнее, однако и их достаточно легко разорвать: по прочности они намного уступают ковалентному соединению между атомами серы.

И водородные, и другие слабые связи рвутся, когда закрученные волосы нагревают стайлером. Потом эти связи между кератиновыми молекулами снова восстанавливаются, но уже между другими атомами, так что волосы всё равно остаются какое-то время завитыми. Однако поскольку тут задействованы относительно слабые связи, термическая завивка не слишком долговечна, и волосы распрямляются сами собой под воздействием окружающей среды.

Распрямляются и волосы, завитые химическим способом путём перегруппирования дисульфидных мостиков. Но тут место закрученных волос просто занимают волосы незакрученные, растущие из кожи. Возникает вопрос, что происходит с волосами у тех, у кого они вьются от рождения? Чтобы ответить на него, нужно в буквальном смысле спуститься к корням волос.

Волос растёт из волосяного фолликула, или волосяной луковицы. Это действительно луковица: она образована семью слоями клеток, которые вставлены друг в друга, как листья репчатого лука. Разные типы клеток выполняют разные функции: есть клетки, которые делятся и образуют волос, есть другие клетки, которые поддерживают те, что образуют волос, и контролируют их деление, и так далее. Клетки, формирующие волос, поначалу незрелые, постепенно накапливают в себе кератин. (Есть ещё клетки, которые накапливают пигмент меланин, придающий волосам цвет, но сейчас меланиновые клетки для нас не важны.) Молекулы кератина модифицируются, становятся жёсткими и плотно упаковываются внутри клетки. В конце концов клетка превращается, образно говоря, в мешок, набитый кератиновыми нитями-фибриллами. Так что готовый волос — это не голый кератин, а ещё остатки клеток, их липидных мембран и других белков.

Природная курчавость связана как раз с тем, что происходит в волосяной луковице. Во-первых, в ней неравномерно делятся клетки: с одной стороны они делятся активнее, чем с другой. Получается, что с одного бока клеток всё время больше, и растущий волос загибается, при этом не только волос, но и сама волосяная луковица становится асимметричной. Во-вторых, клетки, образующие волос, с одной стороны созревают быстрее, чем с другой: кератин в них быстрее твердеет и быстрее упаковывается в готовые нити. Да и сам кератин синтезируется в клетках с разной интенсивностью — с одного бока его образуется больше, с другого меньше. В-третьих, клетки волоса по мере созревания сильно вытягиваются, но в курчавых волосах они вытягиваются неравномерно и, как можно догадаться, с одной стороны получаются длиннее, чем с другой. В-четвёртых, играет роль то, как кератин упакован. Клетки, которые его синтезируют, делятся на несколько типов, отличающихся укладкой кератиновых тяжей. Если по центру вытянутой клетки с кератином провести продольную ось, то мы увидим, что в одних клетках кератиновые нити уложены более или менее равномерно вокруг центральной оси, то есть клетка старается распределять кератин радиально симметрично. А есть клетки, у которых кератин относительно центральной продольной оси группируется преимущественно по бокам — симметрия в упаковке кератина получается не столько радиальная, сколько двусторонняя. В каждом волосе есть клетки разных типов, но всё дело в том, как они распределяются. Если сравнить прямой и вьющийся волос, то в них по-разному будут расположены клетки с более радиальной и с менее радиальной укладкой кератина. Кстати, всё это в итоге приводит к тому, что волос не просто изгибается, но и становится более плоским в поперечном сечении.

До сих пор продолжаются споры, все ли причины природной курчавости волос нам известны и достаточно ли у нас данных, чтобы считать доказанной ту или иную причину. Есть исследователи, которые полагают, что дело не в неравномерном делении клеток волоса, а в их неравномерном росте, то есть не в том, что с одного бока их больше, а в том, что они длиннее. Наконец, когда мы говорим, что в волосяной луковице клетки неравномерно делятся и неравномерно созревают, то возникает следующий вопрос: а в чём причина этой неравномерности? Клетки делятся под влиянием особых молекулярных белковых сигналов, которые называются факторами роста. Вероятно, в волосяной луковице одни клетки получают больше факторов роста, а другие меньше. Но почему так происходит?

Очевидно, тут дело в генетических особенностях. Есть как минимум двенадцать генов, от которых зависит, будет ли волос вьющимся и насколько. Учёные продолжают исследовать эти гены как на животных, так и на людях. Но, как бы то ни было, все причины курчавости, и главные, и неглавные, сводятся к тому, что' происходит в волосяной луковице — как в ней образуются клетки волоса и как они накапливают кератин.

Ну а что же дисульфидные мостики, о которых шла речь в начале? Они тоже играют здесь свою роль, но не столько определяют форму волоса, сколько удерживают её. Волос начинает изгибаться, формируясь в волосяной луковице, и дисульфидные мостики фиксируют его изгибы. Природный вьющийся волос, хоть и можно распрямить с помощью парикмахерских приспособлений и химических средств, но на смену выпрямленным волосам потом всё равно вырастут новые вьющиеся.

Другие статьи из рубрики «Биологические беседы»




Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie на вашем устройстве. Подробнее