Black hairbrush comb straight red hair on white

Haarstruktur, Funktion und Physikalisch-chemische Eigenschaften


Das Haar, die charakteristische Bedeckung der Säugetierhaut, ist wahrscheinlich aus dem epidermale Schuppen von Reptilien. Tiere unter dem Menschen auf der Evolutionsleiter benötigen Haare von genaue Länge, Dichte und Farbe zu überleben. Obwohl menschliches Haar anscheinend verkümmert, ist es in der Tat noch immer ein wichtiges Berührungsorgan und ein Teil der normalen sexuellen und physiologische Entwicklung.

Das menschliche Haar ist von der gleichen Natur wie alle epidermalen Anhängsel, die für alle Säugetiere spezifisch sind. einschließlich verschiedener Mäntel oder Pelze, Wolle, Vibrissae und alle anderen Arten von Haaren, Federn, Nägel, Hörner, Hufe, etc. Seine ursprüngliche Funktion ist der Schutz des Körpers vor Umwelteinflüssen.
Faktoren (Hitze, Kälte, Sonnenlicht, Trockenheit usw.), Verletzungen und Stöße. Es trägt zur thermischen Regulierung und ist mit einer bemerkenswerten Widerstandsfähigkeit und einer hervorragenden Langzeitstabilität ausgestattet und die Erhaltung seiner Struktur. Die Kopfhaut unterscheidet sich von der Haut, die den Rest des Körpers bedeckt, dadurch, dass sie eine Fülle von von großen Haarfollikeln, die lange, grobe Haarfasern mit großen Talgdrüsen produzieren die an jedem Follikel befestigt sind. Darüber hinaus ist das Netzwerk von Nerven und Blutgefäßen eng mit dem die mit den Follikeln verbunden sind, ist sehr aufwendig.

Unabhängig von ihrer Herkunft und Körperlage sind alle Hautanhangsgebilde, die mit den Follikeln haben eine Reihe von Gemeinsamkeiten. Eine der wichtigsten ist, dass sie im Wesentlichen die aus einer bestimmten Klasse von Proteinen, den Keratinen, besteht, die auch ein Hauptbestandteil der Hornschicht, dem äußersten Teil der Hülle, der den inneren Körper schützt aus seiner Umgebung. Keratine zeichnen sich durch einen hohen Cystein-Gehalt, eine einzigartige schwefelhaltige Aminosäure, die in der Lage ist, eine Vernetzung zwischen Proteinketten über Disulfidbindungen. Außerdem können einige Keratine eine räumliche Anordnung annehmen, um kristallähnliche Strukturen. Der Haarschaft besteht aus keratinisierten Zellen, die hoch organisiertes Material enthalten deren Orientierung und biochemische Struktur so ausgelegt sind, dass die Faser bemerkenswerte Widerstandsfähigkeit gegen verschiedene Umwelteinflüsse und Angriffe, wie z.B. Reibung, Spannung, Biegung, UV-Strahlung und chemische Beanspruchung. Das Haar hat das Aussehen eines extrem verlängerten Zylinders. Seine Länge variiert stark von einem Individuum zum anderen. Seine durchschnittliche maximale Länge wird im Allgemeinen als 1-11/2 m. Es wurden einige Ausnahmefälle mit einer Haarlänge von mehreren Metern gemeldet: Das längste aufgezeichnete Haar ist das von Swami Pandarasannadhi, einem indischen Mönch, der in 1949 auf eine Länge von 26 Fuß. Im Vergleich dazu ist sein Durchmesser 20.000 Mal kleiner, aber kann von Haar zu Haar sehr unterschiedlich sein, da sie von ca. 40 bis 120 variieren kann μm.

Diese große Variabilität ist mit zahlreichen Faktoren verbunden, unter denen das Alter, die Rasse,
und sogar den Bereich der Kopfhaut (8). Der Querschnitt der Haare hilft, die große
Unterschiede: es ist in der Tat weit davon entfernt, kreisförmig zu sein; es ist eher eine Ellipse, abgeflacht zu einer
in gewissem Umfang, aber es wurde eine große Vielfalt an Formen beobachtet. Die Form der
Das Haar ist im Allgemeinen mit dem Abschnitt der Fasern verbunden, aus denen es gebildet wird: zylindrisch
das Haar entwickelt gerade Fasern (wie bei asiatischen Haaren), während es sehr elliptisch oder "bohne" ist
geformte Formen führen zu lockigem oder krausem Haar (afrikanisches Haar).

STRUKTUR UND ZUSAMMENSETZUNG

Morphologie
Studien haben gezeigt), dass sich krauses Haar um die kleine Achse des Abschnitt. Bei Wolle erklärt sich die Kräuselung durch die unterschiedlichen Unterstrukturen innerhalb
die Faser (ortho- und parakortikale Zellen). Im menschlichen Haar ist die Existenz solcher Zellen noch und die einzige Erklärung für den Grad der Krümmung scheint eine der genetischen Morphologie direkt vom Follikelstadium an eingeprägt.
Die ethnische Herkunft hat den größten sichtbaren Einfluss auf die Morphologie der Haare. Afrikanisch und asiatische Haare haben einen deutlich größeren Querschnitt als die europäischen Haare. Darüber hinaus ist asiatisches Haar durch einen kreisförmigeren Querschnitt gekennzeichnet als das Haar anderer Rassen, während im Gegensatz dazu das afrikanische Haar am elliptischsten ist.

Struktur der Haare
Der Haarschaft besteht aus drei separaten Regionen. Die Kutikula bildet eine dicke Hülle durch die Überlagerung mehrerer zellartiger Schuppen. Sie umschließt eng die Kortex, der den voluminösesten Teil und das Herz der Faser bildet. In der Rinde befinden sich die für das Haar charakteristischen Faserproteine, die α-Keratine. Die dritte Zone, das Mark, befindet sich in der Nähe der Mitte des Haares. Im Allgemeinen ist das Mark diskontinuierlich und kann völlig fehlen. Die Farbe der Haare wird durch die in der Rinde verteilten Melaninpigmente bereitgestellt.

Nagelhaut
Auf der follikulären Ebene entsteht aus einer einzigen Zellschicht die Kutikula. Am Anfang Quaderförmig, die Zellen flachen beim Aufsteigen aus dem Follikel ab. Gleichzeitig werden sie nach oben gebogen und bedecken sich nach Abschluss der Verhornung gegenseitig wie Dachziegel, wobei die Außenkante der Zellen zur Haarspitze hin gerichtet ist. Jede Zelle ist etwa 0,5 μm dick und 45 μm lang. Die beträchtliche Abdeckung von diese Zellen bedeutet, dass die Schuppenschicht des menschlichen Haares an der Wurzel zwischen 7 und 10 übereinanderliegende Schichten. Die Kutikula leistet einen wichtigen Beitrag zu vielen der physikalischen Eigenschaften der Haare. Als äußerster Teil des Haares bestimmt es seine spezifischen Oberflächeneigenschaften und wirkt als eine Barriere gegen äußere Aggressionen, d.h. das Eindringen von Wasser. So wird auch vermutet, dass es eine wichtige Rolle für die mechanischen Eigenschaften der Faser spielt, insbesondere die Biegeeigenschaften. Es ist auch die Hülle, die die kortikalen Zellen und erlaubt der Faser, ihre mechanische Integrität zu behalten. Dies ist deutlich zu sehen, wenn man sich an der Entwicklung der Kutikula entlang einer Faser und an deren Folgen. Wie sie sich aus der Kopfhaut, die flachen Zellen der Kutikula haben glatte, regelmäßige, gut definierte Ränder und sie sind eng miteinander verklebt. Sehr bald ist jedoch eine Degradation zu beobachten: Erosion, Bruch der Zellkanten und Anhebung der Schuppen, mit dem Erscheinungsbild zackig werden, vor allem durch regelmäßiges Bürsten in Verbindung mit der Wirkung von Solar Strahlung. Die dichte, umhüllende Wand, die von der Kutikula gebildet wird, verschlechtert sich und verdünnt, bis nur noch zwei oder drei übereinanderliegende Zellschichten übrig bleiben. Bei langen Haaren ist diese Die Degradation kann bis zum völligen Verschwinden der Kutikula führen. Die Zellen von der Kortex, dessen Zusammenhalt durch die Schuppenhülle nicht mehr aufrecht erhalten wird, bricht auf und führt dem Phänomen der Spliss-Enden.

Die Kutikula-Zelle ist mit einer feinen Membran, dem Epikutikum, bedeckt. Darunter befinden sich Membran besteht die Zelle aus drei Schichten, die unter der Transmission deutlich sichtbar sind Elektronenmikroskopie: nacheinander die A-Schicht, die Exokutikula und die Endokutikula. Die Epikutik. Dies ist eine sehr dünne Membran ca. 50-70 Å in der Dicke. Sie wurde zuerst von Allworden festgestellt, der beobachtete, dass sich auf der Oberfläche der Wolle Blasen bildeten behandelt mit Hypochloritlösungen. Das Epikutikum, das jede Zelle bedeckt, besteht aus einem Proteinschicht, die von einer durch Thioesterbindungen kovalent gebundenen Lipidschicht bedeckt ist. Diese Lipide sind Fettsäuren, mit Methyleicosansäure (18-MEA) der Hauptbestandteil zu sein. Man nimmt an, dass das Epikutikum eine wichtige Rolle spielt Bestimmung der Oberflächeneigenschaften von Haaren, sowohl der physikalischen (Reibung) als auch der chemischen Eigenschaften (es wirkt wie eine semipermeable Membran). Die A-Schicht und die Exokutikula. Unterhalb und angrenzend an die Epikutik, die A-Schicht ist eine Region, die aus besonders schwefelreichen Proteinen besteht. Der Cystingehalt von die A-Schicht liegt bei über 30%, und etwa 15% in der Exokutikula. Diese besondere Die Zusammensetzung lässt vermuten, dass die Proteine zu den hochschwefelhaltigen (HS) und ultrahochschwefelhaltigen (UHS) Gruppen von keratinassoziierten Proteinen (KAP), ähnlich denen, aus denen sich die Matrix in der Hirnrinde. Der hohe Gehalt an Cystin in der A-Schicht und die Exokutikula und das Vorhandensein von Iso-Peptid-Bindungen in der A-Schicht deuten darauf hin, dass die Proteine in diesen Regionen der Kutikulazellen stark vernetzt sind.
Dieser Teil der Cuticula ist sehr schlecht löslich und besonders resistent gegen chemischer Angriff. Es quillt wenig in Wasser, auch wenn es Anzeichen für das Eindringen von Wasser in dieses Gebiet wurde vor kurzem beobachtet. Für eine derart dichte Struktur wird eine sehr hoher Elastizitätsmodul (Steigung im ersten linearen Teil der Spannungs-/Dehnungskurve), was durch nanomechanische Experimente mit atomarer Kraft bestätigt wurde Mikroskopie (AFM); aber es bricht bei geringerer Belastung.

Die Endokutikula. Dieser Bereich, an der Schnittstelle des inneren Teils des Haares oder der Rinde, ist die hauptsächlich aus den Resten von Zellorganellen bestehen. Es besteht aus Proteinen, die im Gegensatz zu die in den anderen Kompartimenten der Faser gefunden werden, haben einen sehr niedrigen Schwefelgehalt. Schwach vernetzt, bilden sie eine sehr poröse Struktur, die für Wasser leicht zugänglich ist: AFM Beobachtungen der Kutikula-Schuppen zeigen eine dramatische Zunahme ihrer Dicke im Wasser die wahrscheinlich durch die Schwellung der Endokutikula untergebracht wird. Es sollte auch eine sehr weiche und verformbare Struktur.

Rinde
Die von der Cuticula umgebene Hirnrinde macht etwa 80% des Haares aus und bildet die Kern der Faser, auf dem ihre grundlegenden Eigenschaften beruhen. Er wird aus Zellen gebildet selbst aus proteinhaltigem Material mit hohem Organisationsgrad. Es ist diese besondere Struktur und insbesondere die bevorzugte Orientierung entlang der Faserachse des Untereinheiten, die die kortikalen Zellen bilden, die dem Haar seine einzigartige mechanische Eigenschaften. Die kortikalen Zellen. Die kortikalen Zellen sind in Form und Größe recht unterschiedlich. Sie sind alle spindelförmig, entlang der Hauptachse der Fasern ausgerichtet und, obwohl große Unterschiede in ihre Abmessungen sind beschrieben, ihre Länge beträgt etwa 100 μm mit einem Durchmesser von 2-5 μm. Im Falle von Wolle sind mehrere Arten von Kortikaliszellen beschrieben worden, ortho-, para- und mesokortikale Zellen. Jeder Zelltyp zeigt ein bestimmtes Protein Zusammensetzung, wobei die orthokortikalen Zellen einen geringeren Schwefelgehalt als die parakortikalen Zellen. Ihre Verteilung durch den Kortex ist asymmetrisch, und es wurde gezeigt, dass der Grad der Wollkräuselung eng mit der Menge der parakortikale Zellen in den Fasern. Im menschlichen Haar ist die Existenz verschiedener kortikalen Zellen ist unklar. Mazurkiewicz und Phillips und Mercer waren der Ansicht, dass das menschliche Haar enthielt nur parakortikale Zellen. Allerdings hat Swift , in jüngerer Zeit, beobachtete orthokortikale Zellen in lockigem Haar, was darauf hindeutet, dass, wie bei Wolle, der Grad der Lockenbildung des menschlichen Haares könnte mit dem Anteil und der Verteilung von orthokortikale Zellen. Kassenbeck (36) hat gezeigt, dass einige kortikale Zellen, die auf der äußersten Teil der Hirnrinde eine spezifische Form haben. Er betrachtete sie nicht als parakortikale Zellen, sondern nannte sie heterotype kortikale Zellen. Die kortikalen Zellen bestehen hauptsächlich aus Makrofibrillen, die durch dünne Membranen getrennt sind. die wahrscheinlich aus den Resten des ursprünglichen Zytoplasmainhalts der Zellen bestehen. Diese Membranen enthalten auch Melaninpigmente, die unterschiedlich dispergiert sind, und Nukleinsäurereste.

Die Makrofibrillen. Die Makrofibrillen sind kleine Stäbchen, die entlang der Achse des Haares ausgerichtet sind, ein wenige Mikrometer lang und zwischen 0,1 und 0,4 μm im Durchmesser. Sie sind organisiert wie ein perfekt orientierter fibrillärer Verbundstoff und aus Intermediärfilamenten (IF) hergestellt früher Mikrofibrillen genannt, hochstrukturierte Proteinregionen, die in amorphe die Materie, die Matrix. Im menschlichen Haar beträgt der Massenanteil der Matrix etwa 40%. Die elektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen keine eindeutige, gleichmäßige Verteilung der IF, auch wenn in einigen Regionen eine lokale sechseckige Ordnung zu sehen ist, und es wurde angenommen dass die Mikrofibrillen in der Matrix zufällig verteilt waren. Fraser et al. schlugen vor dass sie hexagonal angeordnet waren. Modellierung von Röntgenkleinwinkel-Beugungsdiagrammen hat gezeigt, dass die Mikrofibrillen in der Tat mehr oder weniger regelmäßig in einem pseudohexagonalen Array. Bei Wolle ist diese Organisation in mesokortikalen Zellen als in ortho- oder parakortikalen Zellen. Intermediärfilamente und die α-Struktur der Keratine. Eine vollständige Beschreibung der die Struktur und Bildung von IF, insbesondere von Keratin-Mikrofibrillen, wurde von Parry und Steinert.

Ein gemeinsames Merkmal aller Hartkeratinfasern, ob aus menschlichem Haar, Wolle, anderen Säugetiermäntel oder sogar Stachelschwein-Federn, ist ihr Röntgenbeugungsdiagramm. Die Diagramme sind komplex durch die Kristallisation und Assoziation von Typ I und Typ II Keratinketten zur Bildung der hoch strukturierte Einheiten, die Mikrofibrillen oder IF genannt werden.

Die Bildung von IF kann als ein vierstufiger Prozess beschrieben werden:
a. die Bildung von α-Helices,
b. die Assoziation eines Keratins vom Typ I und eines Keratins vom Typ II zur Bildung eines Dimers,
c. die Aggregation von zwei Dimeren zu einem Tetramer,
d. die Bildung einer pseudohexagonalen Struktur (IF) durch die Assoziation von sieben oder acht Tetramere.

Eine Röntgenmikrodiffraktionsstudie hat gezeigt, dass die α-Struktur der Keratine und der die Bildung von Dimeren in einem frühen Stadium des Prozesses erfolgt der Keratinisierung, im unteren Teil des Haarfollikels. Die IF-Aggregation, der letzte Schritt der Reifung im Aufbau von hartem α-Keratin, findet nur am oberen Ende des Follikels statt. Die α-Helix wurde erstmals von Pauling et al. beschrieben. Diese Helix enthält 3,7 Aminosäurereste pro Umdrehung und wird durch die Bildung von Wasserstoffbrücken stabilisiert, zwischen den N-H- und C=O-Gruppen (aus peptidischen Bindungen) der n- und n+4-Aminosäure von die Reihenfolge. Die auf den Beugungsdiagrammen beobachteten charakteristischen Flecken entsprechen dem Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Spiralen (äquatoriale Wiederholung, senkrecht zur Faserachse, von 9,8 Å), der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgende Aminosäuren der Kettenlängensequenz und der Helixsteigung (Meridian Wiederholung, parallel zur Faserachse, von 1,5 bzw. 5,15 Å). Die theoretische Steigung einer solchen Wendel beträgt 5,4 Å. Um die kürzere gemessene Abstand (5,15 Å), Crick schlug eine Wicklung von zwei Helixen vor. Crewther schlug vor, dass jedes Dimer durch die Assoziation eines Typs I (mit säurehaltiger Seite Ketten) und eine Typ II-Keratinkette (mit neutralen oder basischen Seitenketten) in parallele Anordnung (Abb. 14). Jede Kette enthält N- und C-Endungen mit einer Stabdomäne dazwischen bestehend aus vier Segmenten (1A, 1B, 2A, 2B) und drei Linker-Regionen zwischen den Segmenten (L1, L12, L2). In den vier Segmenten sind die Aminosäuren angeordnet in einem Heptad-Muster der Form (a-b-c-d-e- f-g)n. Die Aminosäuren a und d haben eine apolare Seitenkette, z.B. Leucin, Isoleucin, Valin, während z.B. saure oder basische Gruppen vorhanden sind. Die Stabilisierung der Coiled-Coil-Struktur wird durch hydrophobe Wechselwirkungen zwischen die apolaren Teile von a und d, die einander entlang der Achse der Wendel gegenüberliegen, und durch ionische Wechselwirkungen zwischen polaren Seitengruppen von e und g. Ein stabiles Zwischenprodukt wurde jedoch von Ahmadi und Speakman aus Wolle isoliert Mikrofibrillen und besteht aus vier aufgewickelten Keratinketten. Aus theoretischen Gründen, Crewther schlugen vor, dass zwei Dimere zu einem Tetramer aggregieren (oder Protofilament). Diese Tetramere werden durch intermolekulare ionische Wechselwirkungen stabilisiert. Crewther beschrieb vier mögliche Assoziationsmodi, die später bestätigt wurden:


a. Dimer.

b. A11: Antiparallele Assoziation mit Überlappung von 1B Abschnitten.

c. A22: Antiparallele Assoziation mit Überlappung von 2B Abschnitten.

d. A12: Antiparallele Assoziation mit fast vollständiger Überlappung.

e. ACN: Parallele Assoziation mit einer leichten Überlappung von Kopf bis Fuß.

Zur Interpretation der Röntgenkleinwinkelbeugungsdiagramme, insbesondere der 6,7 nm meridionale und die 2,2 nm äquatoriale Reflexionen, Fraser bauten eine theoretisches Modell der IF-Struktur, das Oberflächengittermodell, in dem sieben oder acht Tetramere werden helixförmig gebündelt mit einer axialen Translation von 19,8 nm, wobei die Tetramere die von einer periodischen Verzerrung betroffen ist, die mit einer Versetzung entlang der Helix in Verbindung gebracht werden soll Achse.
Die Modellierung des Röntgen-Niederwinkel-Beugungsmusters der IF zeigt, dass eine solche Struktur durch die Bildung von intra- und interprofiligen Disulfidbindungen stabilisiert werden konnte. Die reale 3D-Struktur der WENN würde dann durch das Auffalten dieser 2D-Array. Es gibt verschiedene andere Möglichkeiten wie z.B. Ring oder Ring+Kern-Anordnungen, die immer noch diskutiert werden. Die genaue 3D-Struktur von IF bleibt also unbekannt.
Eine wichtige Beobachtung ist, dass die Struktur des IF-Keratins bemerkenswert konstant ist. Es ist identisch in Wolle, Pferdehaar,… und sogar in der Stachelschwein-Feder. Im menschlichen Haar gibt es absolut kein Unterschied zwischen Röntgenbeugungsdiagrammen von Haaren mit verschiedenen Graden von Locken oder unterschiedlicher ethnischer Herkunft. Die Stabilität einer solchen Struktur ist auch Außergewöhnlich: Haare, die von der über 3500 Jahre alten Mumie des Pharaos Ramses II. gesammelt wurden, zeigt genau das gleiche Röntgenbeugungsdiagramm wie die aktuellen Haare.