Волосы защищают кожу почти у всех млекопитающих, особенно помогая контролировать температуру в разные времена года. У человека функция волос изменялась в процессе эволюции, и в настоящее время наше кожа в основном покрыта редкими волосами. И только в некоторых местах волосяной покров сохраняет прежнюю густоту.

Защита

Волосяной покров на голове защищает от солнца, холода и других атмосферных воздействий. Лысые люди, естественно, более восприимчивы к холоду и жаре. Ресницы и волосы в носу защищают от пыли и микробов. Волосы на теле ускоряют испарение пота и облегчают скольжение воды по поверхности тела.

Психосоциальная функция

В большинстве социумов волосам уделяется особое внимание. Причёска имеет эстетическое и социальное значение. Причёска позволяет людям более комфортно чувствовать себя психологически и социально.

Характеристики волос

Характеристики волос зависят от расы, пола, возраста и участков тела, где они расположены.

Возраст

В течение 9 месяцев у плода появляются волосы. Сначала – это тонкие волосы почти без пигмента. Затем они заменяются другими, более густыми волосами. В период полового созревания волосы появляются в подмышечных впадинах и на лобке. Это происходит из-за выработки гормонов, называемых андрогенами.

Гормональные и половые факты

Мужской половой гормон – тестостерон – отвечает за появление волос на лице подростков-мальчиков (борода и усы), на руках, ногах груди и других участках тела.

1.2.2. ФОЛЛИКУЛ (КОРЕНЬ) ВОЛОСА

Корень волоса называют фолликулом. Образуется он в результате инвагинации зародышевого эпидермиса, и в течение жизни новые фолликулы не образуются. На голове взрослого человека находится в среднем 100 000–150 000 волосяных фолликулов. Их активность периодична, т. е. каждый волос отрастает до максимальной длины, затем существует некоторое время без дальнейшего роста, после чего выпадает и на его месте вырастает новый волос. У человека данный цикл повторяется достаточное количество раз для поддержания густоты волос в нормальных условиях. Каждый волосяной фолликул является независимым образованием и имеет свой собственный жизненный ростовой цикл, при этом в различных фолликулах эти циклы не синхронны, иначе бы волосы выпадали у нас одновременно. Волосяной фолликул состоит из соединительнотканного и эпителиального наружного и внутреннего влагалищ, которые находятся на глубине 2,5–5 мм от поверхности кожи. Соединительнотканное влагалище развито лишь в нижней части корня. Наружное эпителиальное влагалище является продолжением мальпигиева слоя эпидермиса, который, истончаясь до 2–3 рядов клеток, сливается с клетками волосяной луковицы. Внутреннее эпителиальное влагалище образовано из клеток луковицы, в нём различают три слоя: наружный – слой Хенле, состоящий из одного ряда роговых пластин; внутренний – слой Хаксли, состоящий из 1–2 рядов клеток, имеющих своеобразную зернистость и ороговевающих в верхних отделах эпителиального влагалища; кутикулу – аналогичную по строению кутикуле самого волоса. Волосяной фолликул вдоль своей оси может быть разделён на три чётко различающихся части: волосяную луковицу, среднюю зону фолликула и собственно волос.

Иллюстрация №5: Нарисовано (с) Кувватов А.С.

Волосяная луковица – это часть, в которой происходит обильный клеточный митоз. Однородные матричные клетки нижней части луковицы начинают дифференцироваться в её верхней части на шесть концентрических слоёв клеток. Три внутренних слоя в дальнейшем становятся собственно волосом; это медулла, кортекс и кутикула. Затем следуют три внешних слоя корня волоса: кутикула, слой Хаксли и слой Хенле. Также в луковице находятся меланоциты, которые дают цвет растущим вверх клеткам, производя на свет фео-меланины и эу-меланины.

Средняя зона фолликула – это зона ороговения (кератинизации) и отвердения. В этой зоне волос приобретает прочность благодаря образованию цистиновых связей. Процесс дифференциации клеток внутренней оболочки корня и предположительно клеток собственно волоса включает в себя процессы образования кератинового белка (затвердевание) и гибели клеток, связанной с полной кератинизацией.

Собственно волос – клетки внутренней оболочки корня заканчиваются на уровне протока сальной железы. Вещество собственно волоса состоит, в основном, из слоя относительно безводных ороговевших клеток и внутриклеточного связующего материала. Секрет, выделяемый расположенными рядом сальными железами, смазывает волос и придаёт эластичность ему и поверхности кожи. Также секрет сальных желёз способствует удалению с волос отмирающих клеток волосяного корня.

Сальные железы – это железы внешней секреции, располагающиеся на всей поверхности кожи тела, продукт секреции которых служит жировой смазкой для волос и поверхности кожи. Особенно много сальных желёз в коже лица, груди и спины; почти все они открываются в волосяные фолликулы, и лишь на головке полового члена, крайней плоти, малых половых губах, сосках молочных желёз, в коже губ, уголках рта – открываются непосредственно на поверхность эпидермиса. Секрет сальных желёз (кожное сало) регулирует испарение воды и выведение из организма водорастворимых продуктов обмена веществ, способствует защите от проникновения в кожу различных вредных веществ из внешней среды, оказывает антимикробное и антигрибковое действие.

У взрослого человека в течение суток сальные железы производят 15–30 граммов кожного сала (1–2 столовые ложки). Покрывая кожу тонкой плёнкой, кожное сало придаёт ей эластичность, уменьшает трение соприкасающихся поверхностей; ограничивая испарение воды с поверхности кожи, предохраняет её от высыхания. Кожное сало и пот создают кислую среду на поверхности кожи – так называемую кислую мантию кожи, которая защищает кожу от гноеродных бактерий. Функция сальных желёз и свойства их секрета в значительной степени зависят от состояния эндокринной системы. При избыточном выделении сала и повышенной его вязкости кожа становится жирной, лоснящейся, поры её расширяются, и кожа напоминает апельсиновую корку; на поверхности могут появиться жирные слоистые чешуйки (себорея) или чёрные и белые угри, гнойничковые заболевания кожи. При несоблюдении личной гигиены и гигиены половых органов секрет сальных желёз скапливается и, разлагаясь, обусловливает резкий неприятный запах, может вызвать раздражение и воспаление кожи и слизистых оболочек. В подростковом возрасте часто встречается воспалительное заболевание сальных желёз и волосяных фолликулов – угревая сыпь. При пониженном выделении сала развивается сухость кожи; этому могут способствовать авитаминоз, заболевания нервной или эндокринной систем, кишечника, неблагоприятные внешние воздействия (например, длительное пребывание на солнце). При неправильном уходе за кожей сухость усиливается, появляются мелкие морщинки, кожа становится дряблой, чувствительной, появляются пятна, шелушение.

Мышца – поддерживает волос. В какой-то степени регулирует его объём. Например, при испуге и холоде мышца сокращается и появляется эффект взъерошенных волос, так называемые «волосы дыбом».

1.2.3. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВОЛОСА

Основой волоса является белок (твёрдый кератин – полное название: конденсационный полимер аминокислот), который в зависимости от различных факторов составляет 65–95 % всего веса волоса. Другие компоненты включают воду (до 15 %), являющуюся важной составляющей физических и косметических свойств волоса, а также липиды (до 6 %), пигмент (меланин – отвечает за цвет волос, до 2 %) и редкие (следовые) элементы. Белки волос состоят из длинных цепей, смешанных 20 или 50 различных аминокислот. Каждая цепочка имеет спиралевидный вид. Среди многочисленных аминокислот в волосе человека цистин является наиболее важной аминокислотой. Каждая цистиновая группа содержит две аминокислоты цистина, соединённые между собой при помощи двух атомов серы, образующие очень прочное соединение, известное как дисульфидная связь. В дополнение к дисульфидным связям в волосе в большом количестве имеются пептидные связи, а также СО- и NH-группы, создающие водородные связи между соседними цепочками макромалекул.

Волос условно можно разделить на три основные части: медулла, кортекс и кутикула.

1.2.3.1. КУТИКУЛА ВОЛОСА

Кутикула – внешняя защитная часть волоса. Состоит из 6–10 перекрывающих друг друга слоёв длинных клеток. Каждая клетка кутикулы имеет толщину примерно 0,5 мкм, открытую поверхность около 5 мкм и длину примерно 45–60 мкм. В человеческом волосе кутикула обычно имеет толщину 5–10 чешуек, так что толщина слоя кутикулы находится в диапазоне от 2,5 до 5 мкм.

Кутикула является барьером для сорбции больших молекул, таких, как красители, и защищает кору от физического повреждения (Feughelman, 1997). Кутикула имеет чешуйчатую структуру, в которой клетки кутикулы прикреплены к концу корня и направлены к кончику волосяного волокна, как черепица на крыше. Каждая клетка кутикулы состоит из ряда субламеллярных слоёв. Это:

• Эпикутикула.

• А-слой.

• Экзокутикула.

• Эндокутикула.

• СМС.

Иллюстрация №6: Нарисовано (с) Кувватов А.С.

Иллюстрация №7: (с) Кувватов А.С.

Наружный слой (эпикутикула) покрыт тонким слоем ковалентно связанных липидов (жирные кислоты), преимущественно 18-метил эйкозановой кислотой (18-MEA). Этот слой представляет собой внешний β-слой клеточного мембранного комплекса (СМС), который выступает в качестве смазки и отвечает за снижение трения чешуек и увеличения гидрофобности (Bhushan, 2010).

А-слой был впервые обнаружен и назван Роджерсом в 1959 г. (Rogers GE (1959) Electron microscope studies of hair and wool. Ann N Y Acad Sci 83:378–399). Он расположен непосредственно под клеточной мембраной эпикутикулы. Он имеет относительно однородную толщину (~ 110 нм). А-слой представляет собой наиболее сильно сшитую область волосяного волокна, сшитую как цистиновыми (дисульфидными) связями, так и изопептидными (амидными) группами, образованными между глутамином и лизином ферментом трансглутаминазой. За счёт химического состава и своего строения имеет наивысшую степень устойчивости к механическим и химическим воздействиям, а также наименьшую степень разбухания в воде.

Экзокутикула, которая прилегает непосредственно к А-слою, также имеет высокое содержание цистина (около 15–20 %). Экзокутикула была описана Swift JA как варьирующаяся от 100 до 300 нм в пределах одной и той же кутикулярной клетки и в среднем имеет толщину около 200 нм.

Самое низкое содержание цистина (около 3 %) находится в эндокутикуле (внутренняя часть чешуйки). Swift JA (Swift JA (1999) Human hair cuticle: biologically conspired to the owner’s advantage. J Cosmet Sci 50:23–47) показал, что эндокутикула человеческого волоса имеет неправильную форму, её толщина колеблется от 50 до 300 нм и в среднем составляет около 175 нм. Наименьшая степень сцепления в кутикуле находится в промежутке между наружным слоем β-слоя и δ-слоем СМС. И именно повреждения данного слоя приводят к расслоению кутикулы, удаляя чешуйки слоя и открывая следующий слой. Эндокутикула набухает в воде значительно сильнее, чем экзокутикула, из-за разного содержания в них цистина и, следовательно, соответствующей перекрёстной связи белковой структуры (Feughelman, 1997).

Края чешуек кутикулы на только что сформировавшейся части волоса гладкие и неповреждённые. По мере того, как волос отрастает всё дальше от кожи, оболочка может повреждаться и ломаться. Такой процесс повреждения является результатом воздействия окружающей среды или средств по уходу за волосами.

1.2.3.1.1. КЛЕТОЧНО-МЕМБРАННЫЙ КОМПЛЕКС (СМС)

Клеточно-мембранный комплекс (CMC), также известный как межклеточное вещество или неороговевшая область, представляет собой клейкий материал, удерживающий вместе все компоненты волоса, такие как: перекрывающиеся клетки кутикулы, клетки кутикулы и кортекса, а также соседние клетки кортекса. Он состоит из клеточной мембраны и адгезивного белкового материала. Доля СМС оценивается примерно в 3 % (Bradbury, 1973). Считается, что клеточно-мембранный комплекс является основным путём диффузии химических агентов (Robbins, 2002).

Сам СМС имеет пластинчатую структуру, которая состоит из центрального полисахаридного δ-слоя, известного как «межклеточный цемент», окружённого двумя богатыми липидами β-слоями. Внешний β-слой отделяет клетки кутикулы друг от друга, однако слабо связан с δ-слоем (Bhushan, 2010). СМС в основном представляет собой неороговевший белок с низким содержанием цистина (< 2 %), но с высоким содержанием полярных серосодержащих аминокислот (цистеин, тиоцистеин). Важным липидным компонентом СМС является 18-метилэйкозановая кислота (18-МЭА), которая также появляется на внешней поверхности каждой кутикулы (верхний слой) и ковалентно связана с белковыми структурами эпикутикулы.

Общее количество липидов, экстрагируемых из волос, обычно составляет 1–9 % от веса волос (Robbins C (2002).

Кроме того, СМС также присутствует в кортексе, но с переменной толщиной δ-слоя. Также нужно отметить, что химический состав СМС кортекса и кутикулы значительно различается и требует различных типов восстановления, что подробно описано у Clarence R. Robbins (2012 г.).

Jones LN, Rivett DE (1995) представили доказательства того, что СМС кутикулы содержит 18-метилэйкозановую кислоту (18-МЭА) в своём верхнем бета-слое. Однако в СМС кортекса 18-MEA не был найден. Факты убедительно свидетельствуют о том, что СМС кутикулы имеет монослойные липиды, которые присоединены ковалентными связями (преимущественно тиоэфирными) (Negri A, Cornell H, Rivett D (1993) с некоторыми сложноэфирными или амидными связями (Evans DJ, Lanczki M (1997) к белкам клеточных мембран на одном конце, и силы притяжения Ван-дер-Ваальса – к белкам дельта-слоя на гидрофобном конце жирных кислот. Имеющиеся данные показывают, что CMC между клетками кортекса состоит из липидных бислоев, которые не связаны ковалентной связью с белковыми слоями. Липидные бислои кортекса связаны солевыми связями и полярными связями с белками клеточной мембраны кортекса на одной стороне и аналогичным образом прикреплены к дельта-слою на другой стороне бислоя.

Существует по крайней мере четыре различных, но значимых классификаций липидов волос:

• свободные (или связанные липиды);

• эндогенные (или экзогенные липиды);

• внутренние (или поверхностные липиды);

• липиды, различаемые по химической функциональной группе или химическому типу.

Связанные липиды – это те, которые нельзя удалить путём экстрагирования волос липидными растворителями, поскольку они ковалентно связаны с белками волос. Например, 18-МЭА присоединяется к белкам тиоэфирными связями, в то время как свободные липиды извлекаются из волос с помощью липидных растворителей, поскольку они удерживаются более слабыми силами связи, такими как силы притяжения Ван-дер-Ваальса, а иногда и водородными связями или даже солевыми связями. 18-МЭА является частью липидного монослоя, окружающего каждую клетку кутикулы. 18-МЭА связан с верхушкой каждой клетки кутикулы (и частью края чешуи) через тиоэфирные связи (Negri AP, Cornell HJ, Rivett DE (1993). 18-MEA образует внешний поверхностный слой поверхности девственных волос, а также верхний слой каждой клетки кутикулы. Нижняя часть каждой клетки кутикулы и часть каждого края чешуи покрыты в основном жирными кислотами с прямой цепью, которые в основном представляют собой пальмитиновую, стеариновую и другие жирные кислоты, включая некоторое количество олеиновой кислоты. Все другие липиды, которые были описаны в литературе, считаются свободными липидами, то есть липидами, которые не связаны ковалентно с белками волос, и они существуют на кутикуле, коре головного мозга и в них.

Эндогенные липиды – это липиды волос, которые образуются в результате биосинтеза в клетках матрикса волос в волосяных фолликулах, тогда как те липиды волос, которые обычно синтезируются в сальных железах, иногда называют экзогенными или внешними источниками.

Внутренние липиды – это те, которые либо проникли в волосы, либо были включены внутрь волосяного волокна (в отличие от поверхностных липидов).

Химические группы, обычно используемые для этого типа классификации, аналогичны группам, описанным в пунктах ниже.

1.2.3.2. КОРТЕКС

Кортекс или корковое вещество – средняя, самая большая, часть волоса, которая занимает до 90 % объёма волоса. Кортекс отвечает за прочность и цвет волоса и состоит из тысяч кератиновых волокон, которые связаны между собой клеточно-мембранным комплексом.

1.2.3.2.1. КЕРАТИН

Удлинённые, веретенообразные кортикальные клетки обычно имеют толщину от 1 до 6 мкм, длину примерно 100 мкм и проходят продольно параллельно оси волокна.

Полипептидные цепи переплетаются между собой, образуя нити, которые в свою очередь, навиваясь друг на друга, образуют суперспирализованную структуру – протофибриллы, а затем – микрофибриллы волоса. Микрофибриллы, объединяясь, образуют уже самые крупные волокна – макрофибриллы.

Иллюстрация №10: Нарисовано (с) Кувватов А.С.

Основной структурой внутри клеток кортекса являются плотно упакованные макрофибриллы, которые составляют до 60 % материала кортекса по массе. Макрофибриллы диаметром примерно от 0,1 до 0,4 мкм состоят из двух основных структур, микрофибриллы и матрикса, которые различаются по своей структуре и аминокислотному составу. Микрофибрилла, или промежуточная нить (IFs), представляет собой частично кристаллический волокнистый белок, который в основном состоит из α-спиральных белков с низким содержанием цистина (6 %). Однако гелеобразный матрикс с высоким содержанием цистина (21 %) действует как среда для заливки промежуточных филаментов. Матрикс различается по количеству и составу для разных кератинов, тогда как микрофибриллы появляются последовательно от одного кератина к другому (Feughelman, 1997). Сообщалось, что соотношение матрикса и промежуточных филаментов в человеческом волосе равно единице (Robbins, 2002, Wolfram, 2003).

Длинные ороговевшие клетки кортекса образуются главным образом из длинных нитевидных белковых молекул, которые связаны друг с другом химическими мостиками. Если же волос рассматривать более подробно, то видна следующая последовательность: большое количество аминокислот, соединяясь между собой, образуют полипептидную цепь.

Обвиваясь друг вокруг друга, макрофибриллы формируют основные волокна коркового слоя. Протофибриллы состоят из пептидных спиралей (макромолекула). На этих спиралях располагается более 1000 атомов, соединяющихся в молекулярные связи (мостики). Эти мостики можно условно разделить на четыре типа, а именно:

Сульфидные мостики (состоят из двух атомов серы, поэтому не редко их называют серными связями), так называемые дисульфидные мостики (-S-S)

Эти мостики являются наиболее прочными, они возникают между двумя серосодержащими остатками аминокислоты цистеина, расположенными на соседних полипептидных цепях, поэтому их часто называют дисульфидными или цистеиновыми связями. Именно эти связи и определяют природную прочность волос.

Водородные мостики(состоят из двух атомов водорода)

Эти мостики намного слабее дисульфидных, зато их гораздо больше по количеству. Они образуются благодаря взаимному притяжению атомов водорода, расположенных на соседних полипептидных цепях. Эти связи играют важную роль в обеспечении эластичности волос. Благодаря наличию водородных мостиков, кератиновые цепи не прямые, а спиралевидные. Это состояние – Альфа-кератин, такие связи слабы и легко разрушаются при намачивании волос, применении тепла или механического воздействия, в результате чего кератин переходит в состояние Бетта-кератин. При разрушении водородных мостов волосам не наносится вреда.

Солевые мостики

Это довольно прочные связи, которые возникают между расположенными друг напротив друга положительно (кислотными) и отрицательно (щелочными) заряженными свободными группами аминокислотных остатков, входящих в состав полипептидных цепей. Эти соединения очень прочные и разрушаются только под воздействием кислот и других агрессивных соединений. Разрушение данных мостиков (связей) наносит большой вред волосам. В большинстве случаев кератиновые волокна волоса содержат два отличных друг от друга типа корковых клеток. Это паракортикальные клетки, состоящие из плотно прилегающих друг к другу макрофибрилл, и ортокортикальные клетки с менее плотно расположенными макрофибриллами, образующими узор в виде отпечатка пальца или завихрения.

Существует три типа кортикальных клеток: ортокортикальное, мезокортикальное и протокортикальное. В паракортексе и мезокортексе микрофибриллы (IFs), окружённые матриксными белками, ориентированы более параллельно оси волокон и имеют более однородную структуру, в результате чего более устойчивы к химическим и механическим воздействиям. Тогда как в ортокортексе они спирально закручены. В прямых волосах выделяют все три типа кортикальных клеток.

Однако, чем более кудрявый волос, тем больше уменьшается количество клеток мезокортикального типа. В плотно завитых африканских волосах были идентифицированы только клетки ортокортикального и паракортикального типов, и они были распределены асимметрично с клетками ортокортикального типа преимущественно на выпуклой стороне завитка и клетками паракортикального типа на вогнутой стороне.

Матрикс

Все кератиновые волокна, кроме молекулярных связей, соединены друг с другом матриксом. Матрикс – это белок, который отличается от кератинизированного белка тем, что не бывает полностью кератинизированным. Относительно общего процента содержания белка в волосе кератин по отношению к матриксу будет иметь соотношение 40 % к 60 %. Матрикс имеет высокое содержание серы и глицин-тирозина. Играет существенную роль в волосе, связывая вместе кератиновые волокна. При этом чаще всего в научных статьях встречается упоминание внутримолекулярного соединения, а не межмолекулярного.

Межмолекулярное вещество

Межмолекулярное вещество также называют клеточным мембранным комплексом (CMC). Мы с вами говорили выше, что основной функцией СМС является связующая, то есть СМС соединяет слои кутикулы и кортекса воедино, сохраняя их целостность. Межмолекулярное вещество очень часто из-за этой особенности называют цементом волоса. Некоторые исследования показали, что СМС находится диффузно в структуре волоса. Известно, что СМС состоит из δ-слоя, который в основном имеет белки с низким содержанием серы, но богатый кислыми и щелочными аминокислотами. δ-слой окружён двумя β-слоями, которые состоят из перекрёстно связанных белков и липидов, многие из которых являются частью эпикутикулы. Многие современные авторы научных статей предполагают, что состав СМС может быть различным в кортексе и в кутикуле.