Запутанная наука: химия, биология и генетика кудрявых волос

Как устроен наш волос, что определяет его форму и окраску, что такое синдром «стекловаты на голове», почему кудрявые волосы чаще бывают сухими, почему завитки от расплетенной косички быстро выпрямляются и почему расчесывать мокрые волосы обычно не рекомендуют, объясняет Indicator.Ru.

Расплетаем загадки

Химически волос по большей части состоит из белка кератина. Любой белок представляет собой цепочку более мелких звеньев, аминокислот, каждая из которых в геноме записана тремя «буквами» ДНК. Однако простая последовательность аминокислот, которая удерживается пептидными связями, — это лишь первичная структура. Белки устроены сложнее. На втором уровне цепочка завивается в длинную спираль, между витками которой существует несколько типов взаимодействий. Среди них есть водородные связи, которые слабы, но многочисленны. Их легко разрушает вода, но затем они воссоздаются. Увлажнив волосы, можно заметить, что они удлинились, а если накрутить мокрые волосы на бигуди или заплести в косичку, то к моменту высыхания водородные связи переформируются, и мы получим желанные волны или завитки (правда, непрочные).

Впрочем, вернемся к белкам, там еще осталось много интересного. На уровне третичной структуры спираль комкается в шарик (глобулярные белки) или свивается в нить (фибриллярные белки). Поддерживать третичную структуру помогают несколько видов химических связей, в основном это слабые ионные связи, которые распадаются под воздействием кислот и щелочей, и дисульфидные мостики — ковалентные связи между двумя атомами серы в составе аминокислоты цистеина. К слову, это самые прочные связи в полипептидных цепочках. Дисульфидные мостики и считают главными виновниками человеческой кудрявости, именно поэтому не забывайте о них, они нам еще пригодятся.

Кератин в волосах — фибриллярный белок. Четыре тонкие нити третичной структуры сплетаются вместе, образуя витой шнурок — альфа-волоконце, или протофибриллу. Из примерно десятка протофибрилл состоит шнур потолще — микрофибрилла. Тысячи микрофибрил сплетаются в макрофибриллу, как тонкие волокна в канат, заполняя пространства в клетках волоса. Все эти процессы происходят в волосяной луковице, где еще живые клетки прячутся от жестокого мира, делятся и растут.

Черепица, краска и внутренний стержень

Выйдя наружу, волосы постепенно погибают, начиная с наружного покрова — кутикулы. Эту защитную оболочку волоса образуют 6-10 слоев клеток, ороговевших (погибших и тоже заполнившихся кератином), плоских и уложенных внахлест, как черепица. И пластинки этой черепицы тоже удерживаются вместе благодаря водородным связям. Этим и объясняется рекомендация не расчесывать волосы, пока они мокрые. Когда кутикула намокает, связи разрываются, и ее чешуйки размыкаются, а значит, и защищать волосы она будет хуже. Если кутикула плотно прилегает к внутренним слоям и хорошо смазана выделениями сальных желез, волос выглядит сильным и здоровым, в противном случае он становится ломким и сухим. Кстати, кудрявые волосы обычно сухие отчасти по механическим причинам: завитки мешают кожному салу распространяться по всей длине.

Волокнистый слой волоса, в котором есть фибриллы, называют кортексом. В клетках кортекса можно найти молекулы и гранулы разновидностей пигмента меланина, который придает волосам цвет. У рыжих это красно-оранжевый феомеланин, у брюнетов — эумеланин, у шатенов и русых — смесь обоих в разных пропорциях. При этом эумеланин откладывается в виде гладких, округлых гранул, а феомеланин гранул не образует, а распределяется по волосу диффузно, отдельными молекулами. Феомеланин хуже защищает от ультрафиолета и легче разрушается, так что у рыжих и русых людей волосы сильнее выгорают на солнце. Логично, что эумеланин в больших количествах синтезируются в волосах и коже тех, чьи предки жили в жарком климате.

Наконец, в глубине находится стержень волоса, он же медулла. Клетки в сердцевине волоса кубические, а не вытянутые, в них мало кератина, а между ними много пространства. Это нужно для того, чтобы там собирался воздух, обеспечивающий теплоизоляцию. Правда, в наше время мы меньше полагаемся на волосы в этом вопросе, необходимость в медулле постепенно отпадает, поэтому у многих людей она становится прерывистой или даже исчезает.

Стекловата на голове

Кудрявость волос (как и их цвет) определяется генетически. Некоторым людям с этим наследственным признаком особенно не везет — настолько, что их волосы привести в порядок не проще, чем стекловату. Проблему даже называют соответственно — spun glass hair, более научный вариант — «синдром нерасчесываемых волос». В статье International Journal of Dermatology описывается случай 14-летней девочки, которой не помогали никакие процедуры: ее волосы были вьющимися и очень сухими и запутывались в узел сразу же после расчесывания. Ученые рассмотрели ее волосы под поляризационным микроскопом и увидели, что каждый отдельный волос перекручен вокруг своей оси, и по нему идет продольная борозда.

Такая форма становится следствием неравномерного роста волоса в волосяном фолликуле, а ее появление ассоциируют с мутациями в генах PADI3, TGM3 и TCHH (запомните его, он нам еще пригодится). На сегодня действенного лечения для таких людей нет, ведь это состояние не опасно, и у врачей, как правило, находятся проблемы поважнее. Но есть и хорошие новости: обычно в процессе взросления волосы сменяются, и со временем синдром проходит сам собой. Кстати, был даже знаменитый деятель науки, которого трихологи (так называются специалисты по волосам) относят к потенциальным обладателям стекловатной шевелюры. Догадываетесь, кто? Этим ученым был Альберт Эйнштейн.

Корень всех бед

Форма волоса в сечении необычна не только у носителей мутации, жалующихся на серьезные проблемы с расчесыванием. У большинства людей фолликулы круглые, как на картинке выше, и стержень волоса растет из-под кожи под прямым углом. У обладателей же нежных волнистых локонов форма фолликула овальная, а сам волос растет немного под наклоном. У курчавых людей волос описывает дугу перед тем, как выйти на поверхность, а на срезе он похож на сильно сплюснутый овал, на букву D или даже на полумесяц (если кудряшки совсем африканские, про такие говорят «как на иголку накручивал»). Чем более плоским будет этот овал, тем заметнее получатся завитки.

Вообще же волосяная луковица гораздо больше похожа на лук, чем вы думаете. В ней есть семь слоев специальных эпителиальных клеток, уложенных концентрическими кругами, а покоится все это на кожном сосочке, состоящем из клеток соединительной ткани. Этот сосочек обеспечивает нашей луковице питание, и, как ни странно, кудрявость также зависит от того, как он повернут. В волосяном фолликуле есть зона деления, где клетки ускоренно размножаются, и зона дифференциации, где определяется их дальнейшая судьба и форма, а внутри синтезируется и нужным образом укладывается кератин.

Кажется, мы начали забывать про ген TCHH, а ведь он отвечает не только за синдром нерасчесываемых волос. На форму самого фолликула и, следовательно, волоса в сечении влияют и белки «сумки», окружающей волосяной фолликул. Ген TCHH кодирует белок трихогиалин, влияющий на затвердение кератина. Именно он, согласно статье в International Journal of Cosmetic Science, повинен в том, что большинству потомков европеоидов кудряшки по наследству не достались. В популяции наших предков распространилась разновидность гена трихогиалина, увеличивающая вероятность того, что волосы носителей будут прямыми. А вот потомкам восточноазиатских народностей кудряшек у своих детей ждать обычно не приходится по иной причине: в их популяции 10 000 лет назад сильно размножились обладатели варианта гена EDAR, кодирующего рецептор эктодиплазина А. Этот рецептор выполняет важную работу во многих клетках кожи, помогая им развиваться и определять свою судьбу.

«Память волос» и белок для колюшки

Таким образом, кудрявость зависит не только от состава волоса, но и от того, как он рос из фолликула, как распределялось напряжение. Недаром авторы статьи 2007 года в International Journal of Dermatology назвали кудряшки «материалом с памятью формы». Организация макрофибрилл внутри клетки кортикального слоя волоса определяет форму этой клетки: будет ли она просто веретеновидной (по-английски такие клетки называют paracortical) или вытянутой, но извилистой (orthocortical). Промежуточный вариант называется mesocortical, но он играет не особо важную роль. У обладателей кудрявых волос веретеновидные клетки обычно расположены с наружной, выпуклой стороны завитка, а клетки неправильной формы — с вогнутой. У тех же, кого природа наградила прямыми волосами, оба типа клеток распределены по всему волосу случайным образом, а «извилистых» клеток в целом меньше.

Снабдив флуоресцентными (светящимися) метками кератин, в котором неравномерное формирование дисульфидных мостиков отвечает за форму кортикальных клеток, ученые обнаружили, что в волосяном фолликуле этого белка больше в клетках с той стороны, откуда будет расти выпуклая часть завитка. Разные формы кортикальных клеток появляются в зависимости от того, как распределился кератин в волосяной луковице. И даже та часть волоса, которая давно появилась на свет, «помнит» об условиях своего «рождения».

Тем не менее одними проказами кератина объяснить кудряшки не удается: для получения одностороннего (как в ресницах) и двустороннего (как в мелких «африканских» кудряшках) изгиба еще и сами клетки в фолликуле и его оболочек должны делиться асимметрично. Как установили авторы другой статьи, к этому причастен белок IGFBP-5 (Insulin-like growth factor-binding protein 5, что переводится как «белок, связывающийся с инсулиноподобным фактором роста», а фактор роста как раз и поощряет деление клеток). В волосяной луковице, откуда растут прямые волосы, мало IGFBP-5, и он распределен равномерно, а когда белка больше и он концентрируется по одну сторону оси «вытянутости» фолликула, то появлялась асимметрия в делении клеток, и с этой стороны формировался изгиб. Эта закономерность сохраняется как минимум на протяжении нескольких циклов появления, роста и выпадения волос. Забавно, но у рыб колюшек тоже есть этот белок, хотя используется он не для роста волос, а для адаптации к солености воды (если вас вдруг заинтересовало, что еще у колюшек для этого есть, можно прочитать статью из Molecular Ecology).

Яйцо, курица и ансамбль

Вся эта, прямо скажем, и без того непростая схема порождает вопрос, но не про курицу и яйцо, а про луковицу и белок. Изгибается ли фолликул из-за натяжения, возникшего по вине растущих в клетках кератиновых макрофибрилл, или асимметричное расположение белков возникает из-за того, что форма фолликула изменена? Таким вопросом задаются авторы обзора 2017 года, опубликованного в журнале Experimental Dermatology, однако они сразу же признают первенство в изучении этого вопроса за исследователями качества шерсти, для которых эта тема оказалась как минимум не праздной. Шерстяных дел мастера ответа так и не нашли, а вот авторы статьи рассмотрели пять предполагаемых механизмов:

1. Асимметричное распределение молекул структурного кератина в кортексе. Пока что на эту роль подходит только кератин hHa8 (он же K38), лишь его ученые уличили в неравномерном производстве по всему фолликулу, хотя с выпуклой стороны волосяной луковицы завитого волоса позже может появляться еще кератин hHb1 (K82). Возможно, однако, что это отвечает за изгиб волоса, но не за поворот вокруг своей оси, так как в фолликулах загнутых, но не кудрявых ресниц оба эти кератина тоже распределены неравномерно.

2. Разная форма клеток кортекса. Она зависит от того, как макрофибриллы кератина ориентированы внутри них по отношению к оси роста волоса. Они располагаются в ороговевшей клетке плотно, почти в кристаллическом состоянии, и для поддержки такой структуры как раз важны дисульфидные мостики. Если макрофибриллы выстроены в длину, то клетка будет просто вытянутой, а если нет, у нее будут собственные «извилины».

3. Неравномерное деление клеток корня волоса. Ряд исследований показывает, что белок Ki67 — верный признак усиленного деления клеток — неравномерно распределен в фолликулах кудрявых волос и ресниц. Здесь виноват как раз белок IGFBP-5, так как инсулиноподобный фактор роста заставляет клетки размножаться. Если делящаяся зона «мигрирует» вдоль оси фолликула, пока волос растет, это может создавать дополнительную закручивающую силу. Увы, мы пока этого тоже не знаем.

4. Особенности внутренней оболочки волосяной луковицы. Эта оболочка подразделяется на три слоя, два из которых названы в честь ученых: «бульдога Дарвина» Томаса Генри Гексли и знаменитого физиолога и анатома Фридриха Густава Якоба Генле (он же открыл и петлю Генле в почках). Третий слой (он для нас менее интересен, но вдруг) зовется кутикулой и срастается с кутикулой волоса, а вот клетки в слое Гексли производят кератины, которые взаимодействуют с трихогиалином, а в слое Генле — кератины, которые затвердевают и ороговевают первыми. Возможно, это и влияет на форму фолликула. Тогда наша цепочка отвечающих за это генов будет начинаться с PADI3 и TGM3, из-за мутаций в которых могут получиться волосы-«стекловата».

5. Различия кожных сосочков. Благодаря волосяному (он же кожный или дермальный) сосочку (выступ дермы, окруженный волосяной луковицей) кровеносные сосуды подходят к фолликулу и питают его. Возможно, клетки волосяной луковицы делятся неравномерно из-за неодинакового питания и формы этого самого кожного сосочка.

Если просуммировать все эти факторы, получается, что форма и тип волос не просто определяются благодаря генам, которые достались нам от родителей раз и навсегда. Нет, нужные условия должны возникать в фолликуле снова и снова, в циклах каждого сменяющегося поколения волос. Всем этим ансамблем клеточных процессов, которые влияют на форму фолликула и прочие предпосылки к появлению завитков, заправляют белки, а за их концентрацию, меняющуюся из-за включения и выключения генов, отвечает эпигенетика. Так что если после укорочения волос у кого-то вдруг отросли кудряшки, не надо винить парикмахера или бритву. Здесь постарались генетические переключатели, и в следующих циклах роста волос белки в фолликулах играли совсем по другим нотам.

В следующей статье мы расскажем, как люди надолго превращают свои волосы во вьющиеся, а также что еще можно сделать со своими волосами, чтобы им было хорошо.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.