Из чего состоят волосы? Строение отдельного волоса

Волос — это ороговевшее биологическое волокно, состоящее главным образом из белка, воды, липидов, пигмента и минералов. Живыми являются только структуры под кожей; видимая часть волоса представляет собой мёртвую затвердевшую ткань.

Волосы — один из наиболее изученных биологических материалов в науке. Каждый волос начинается с живых клеток внутри кожи, а затем превращается в волокно, состоящее из кератина — прочного структурного белка. Согласно данным Robbins, волосяное волокно примерно на 65–95 процентов состоит из белка, а остальную часть составляют вода, липиды, пигмент меланин и микроэлементы (Robbins 2012). Понимание этой структуры важно, поскольку здоровье волос, результаты укладки, характер ломкости и выпадение волос связаны именно с ней. В этой статье состав волос рассматривается послойно — от аминокислот до волосяного фолликула — с использованием структуры семантического SEO, чтобы каждый вопрос получил понятный ответ.

Из чего состоят человеческие волосы?

Белок кератин, вода, липиды, пигмент меланин и минералы. Кератин преобладает и формирует механическую основу волосяного волокна.

Волос — это композитный материал, а не одно вещество. Кератин составляет большую часть волокна и обеспечивает его прочность. Вода находится во внутренней структуре и влияет на гибкость. Липиды покрывают поверхность и регулируют обмен влагой. Пигменты меланина придают волосам цвет. Минералы, такие как цинк, медь и кальций, присутствуют в небольших количествах и поддерживают стабильность волосяного волокна (Robbins 2012). Каждый компонент выполняет свою функцию, а вместе они объясняют, почему волосы ведут себя именно так.

Что такое кератин и почему он необходим волосам?

Кератин — это волокнистый структурный белок, состоящий из аминокислот. Благодаря уникальной системе связей он придаёт волосам прочность, эластичность и форму.

Кератин относится к семейству белков, называемых промежуточными филаментами. Альфа-кератин, содержащийся в человеческих волосах, сворачивается в спиральную структуру и объединяется в прочные волокна (Bragulla and Homberger 2009). Содержащая серу аминокислота цистеин обеспечивает эту прочность. Две молекулы цистеина образуют дисульфидную связь — поперечное соединение, которое фиксирует цепи кератина. Эта система связей позволяет волосам растягиваться, сгибаться и возвращаться к исходной форме. Химические процедуры, такие как завивка, действуют именно за счёт разрушения и повторного формирования этих дисульфидных связей (Robbins 2012). В волосах также присутствуют участки, напоминающие бета-кератин, однако альфа-кератин преобладает в кортексе и определяет большинство механических свойств волоса.

Каковы три слоя стержня волоса?

Кутикула, кортекс и медулла. Кутикула защищает волос, кортекс отвечает за его прочность и цвет, а медулла располагается в центре и иногда отсутствует.

Поперечный срез стержня волоса показывает три концентрических слоя. В таблице ниже приведено их краткое описание, после чего каждый слой рассматривается подробно.

Что такое кутикула волоса?

Кутикула — это наружный защитный слой из перекрывающихся клеток, напоминающих чешуйки. Она определяет взаимодействие волос с водой, химическими веществами, теплом и трением.

Кутикула состоит из пяти–десяти слоёв плоских перекрывающихся клеток, каждая из которых покрыта липидной мембраной (Robbins, 2012). Эти чешуйки направлены от корня к кончику, подобно черепице на крыше. Здоровая кутикула прилегает плотно, поэтому волосы на ощупь гладкие и хорошо отражают свет. Приподнятые или отсутствующие чешуйки приводят к шероховатости, спутыванию и ломкости волос. Укладка с использованием тепла, химические процедуры, воздействие ультрафиолета и механическое трение приподнимают эти чешуйки. Когда кутикула истончается и разрушается, расположенный под ней кортекс теряет защиту.

Что такое кортекс волоса?

Кортекс формирует основную часть волокна волоса и содержит пучки кератина, а также пигмент меланин. Он определяет прочность, текстуру и цвет волос.

Кортекс составляет примерно 90 процентов массы волокна волоса. Вытянутые корковые клетки располагаются параллельно волосу и заполнены кератиновыми филаментами, соединёнными дисульфидными связями (Bragulla и Homberger, 2009). Пучки этих филаментов объединяются в более крупные структуры, называемые макрофибриллами. В кортексе также находятся гранулы меланина, которые формируют естественный цвет волос. Поскольку кортекс несёт основную механическую нагрузку волокна, его повреждение проявляется слабостью, сечением и потерей эластичности.

Что такое медулла волоса?

Медулла — это рыхлая центральная часть некоторых волос, состоящая из клеток и воздушных пространств. Она часто отсутствует, особенно в тонких или светлых волосах.

Медулла располагается в центре стержня волоса и состоит из свободно расположенных клеток с воздушными полостями между ними (Robbins 2012). В толстых и жёстких волосах обычно присутствует медулла, тогда как в тонких пушковых волосах она часто полностью отсутствует. Учёные по-прежнему спорят о её точной функции, хотя предполагается, что она может придавать жёсткость толстым волосам. Наличие или отсутствие медуллы позволяет провести простую классификацию: медуллированные волосы имеют сердцевину, а немедуллированные — нет.

В чём разница между стержнем и корнем волоса?

Стержень — это видимая омертвевшая часть волоса над поверхностью кожи. Корень — живая, растущая часть, расположенная внутри фолликула.

Каждый волос состоит из двух анатомических зон. Стержень выступает над поверхностью кожи и полностью состоит из затвердевших кератинизированных клеток. Корень находится под поверхностью кожи и закреплён внутри структуры, называемой фолликулом (NCBI 2023). Только корень обеспечивает рост волоса. После того как клетки кератинизируются и поднимаются в стержень, они погибают. Именно поэтому стрижка не влияет на рост волос, а образование новых волос зависит исключительно от здоровья фолликула.

Какие структуры образуют волосяной фолликул?

Фолликул — это мини-орган, включающий оболочки, железы, мышцы и нервы. Он формирует, смазывает и обеспечивает чувствительность каждого волоса.

Фолликул состоит из специализированных зон и вспомогательных структур:

• Инфундибулум: воронкообразный верхний отдел, расположенный у поверхности кожи

• Перешеек и выпячивание: средняя зона, содержащая стволовые клетки, которые обеспечивают восстановление фолликула

• Нижний отдел фолликула: зона, включающая волосяную луковицу и матрикс

• Наружное и внутреннее корневые влагалища: защитные оболочки, направляющие растущий волос

• Мышца, поднимающая волос: небольшая мышца, заставляющая волос вставать дыбом

• Сальная железа: вырабатывает себум — естественный жир, смазывающий волосы и кожу

• Нервные волокна: окружают фолликул и воспринимают прикосновения

Вместе эти структуры обеспечивают образование и рост волос, чувствительность и смазку.

Что происходит внутри волосяной луковицы?

В луковице находятся дермальный сосочек и матрикс волоса — зоны, где образуются новые клетки, происходит их кератинизация и формируется пигмент.

Волосяная луковица — это расширенное основание фолликула. Внутри неё дермальный сосочек соединён с кровеносными сосудами и получает кислород и питательные вещества. Вокруг сосочка матрикс волоса содержит одни из наиболее быстро делящихся клеток человеческого организма (Schneider, Schmidt-Ullrich, and Paus 2009). Клетки матрикса размножаются, перемещаются вверх, наполняются кератином и затвердевают. Во время их формирования меланоциты вводят в эти клетки меланин. В результате непрерывный поток кератинизированных клеток формирует стержень волоса.

Как формируется новая прядь волос?

Клетки матрикса делятся, дифференцируются, заполняются кератином и продвигаются вверх в виде мёртвых ороговевших клеток, формирующих видимый стержень волоса.

Процесс проходит в чёткой последовательности. Клетки матрикса, расположенные рядом с дермальным сосочком, быстро делятся. Продвигаясь вверх, они активируют гены кератина, утрачивают ядра и погибают. Кератинизация уплотняет каждую клетку, а уложенные друг на друга клетки сжимаются, образуя сплошное волокно (Bragulla and Homberger 2009). Затем волокно проходит по каналу фолликула и выходит на поверхность кожи. Видимый стержень волоса не содержит живых клеток, кровеносных сосудов и нервов.

От чего зависит цвет волос?

Меланоциты вырабатывают два пигмента — эумеланин и феомеланин. Их соотношение определяет любой естественный цвет волос.

Меланоциты в волосяной луковице вырабатывают меланин и передают его формирующимся клеткам волоса (Schneider, Schmidt-Ullrich, and Paus 2009). Эумеланин отвечает за коричневые и чёрные оттенки. Феомеланин формирует красные и жёлтые оттенки. В чёрных волосах содержится много эумеланина; в светлых — мало обоих пигментов; в рыжих — много феомеланина. С возрастом меланоциты замедляют выработку пигмента, его количество уменьшается, и волосы становятся серыми или белыми. Структурные изменения внутри стареющих волокон также рассеивают свет, усиливая серебристый оттенок (Robbins 2012).

Почему одни волосы прямые, а другие вьются?

Форма фолликула определяет поперечное сечение волоса. Волосы с круглым сечением растут прямо, а с овальным или неправильным — вьются.

Прямой фолликул формирует волокно круглого сечения, которое равномерно растёт во всех направлениях. Асимметричный или изогнутый фолликул формирует овальное или уплощённое сечение, и неравномерная скорость роста по его поверхности изгибает волокно, создавая завиток (Thibaut et al. 2005). Сильно завитые волосы обычно имеют выраженно уплощённое поперечное сечение и изогнутый фолликул. Это структурное различие, а не различие в химическом составе кератина, поэтому завиток формируется ещё до выхода волоса на поверхность кожи.

Что придаёт волосам прочность и эластичность?

Пучки кератина в корковом слое, соединённые дисульфидными связями, обеспечивают прочность и эластичность. Повреждение этих связей снижает оба свойства.

Корковый слой содержит кератиновые филаменты, погружённые в белковый матрикс. Дисульфидные связи между остатками цистеина, а также более слабые водородные и солевые связи удерживают эту структуру вместе (Robbins 2012). Водородные связи легко разрушаются под воздействием воды и тепла, благодаря чему волосы растягиваются во время укладки, а затем восстанавливаются при высыхании. Дисульфидные связи устойчивы к воздействию воды и обеспечивают постоянную форму волоса. Осветляющие средства и составы для химического выпрямления повреждают эти прочные связи, поэтому после химической обработки волосы становятся слабее и легче ломаются.

Как вода, липиды и минералы влияют на структуру волос?

Вода определяет эластичность, липиды герметизируют поверхность и ограничивают потерю влаги, а минералы стабилизируют волокно.

Вода проникает в корковый слой и действует как пластификатор, сохраняя гибкость волос. Сухие волосы впитывают влагу из воздуха и набухают; очень влажные волосы растягиваются до 30 процентов своей длины (Robbins 2012). Липиды образуют защитный барьер на кутикуле и замедляют движение воды внутрь и наружу. Кожное сало, выделяемое сальной железой, распределяется по стержню волоса и уменьшает трение. Такие минералы, как кальций, магний и железо, связываются с кератином и влияют на текстуру и жёсткость волос. Жёсткая вода оставляет минеральные отложения, из-за которых волосы становятся шероховатыми на ощупь, — это химическая причина с физическим результатом.

Что такое цикл роста волос и как он связан со структурой?

Волосы растут циклично, проходя фазы анагена, катагена, телогена и экзогена. После выпадения фолликул формирует новый стержень волоса.

Цикл определяет, будет ли фолликул производить волос, находиться в состоянии покоя или высвобождать его.

Выпадение от 50 до 100 волосков в день считается нормой (NCBI, 2023). Чрезмерное выпадение происходит при повреждении фолликулов или одновременном переходе большого количества волос в фазу телогена — именно такая картина наблюдается при телогеновой алопеции. Структурные повреждения стержня волоса и заболевания фолликулов — это разные проблемы, что приводит к важному различию.

Можно ли восстановить повреждённый стержень волоса?

Нет. Стержень волоса состоит из мёртвой ткани и не способен к биологическому восстановлению. Кондиционирующие средства могут лишь замаскировать повреждения.

После того как ороговевшие клетки затвердевают и отмирают, организм не может восстановить их. Секущиеся кончики не могут снова соединиться, а разрушенные дисульфидные связи в стержне волоса не восстанавливаются (Robbins, 2012). Косметические кондиционеры покрывают волокно, разглаживают кутикулу и временно улучшают внешний вид волос. Настоящее восстановление происходит только в фолликуле, где формируется новый неповреждённый волос. Поэтому профилактика повреждений — бережное обращение с волосами, защита от воздействия тепла и умеренное использование химических средств — важнее, чем их восстановление.

Как структура волос связана с их выпадением?

Выпадение волос связано с проблемами фолликулов, а не стержня волоса. Повреждение фолликулов или нарушение циклов роста снижает образование новых волос.

Шероховатый или сломанный стержень волоса влияет на внешний вид, но не на рост. Выпадение начинается в фолликуле: при андрогенетической алопеции фолликулы постепенно уменьшаются с каждым циклом, при очаговой алопеции иммунные клетки атакуют фолликулы, а телогеновая алопеция преждевременно переводит волосы в фазу покоя (Schneider, Schmidt-Ullrich и Paus, 2009). Для оценки выпадения волос необходимо учитывать биологию фолликулов, время смены фаз цикла и состояние кожи головы, поскольку именно фолликул определяет, вырастет ли следующий волос.

Часто задаваемые вопросы о структуре волос

Состоит ли волос полностью из кератина?

Нет. Кератин преобладает, однако в состав волокна также входят вода, липиды, меланин и минеральные вещества. Точный состав у разных людей различается (Robbins, 2012).

Является ли стержень волоса живой тканью?

Нет. Клетки стержня ороговевают и отмирают ещё до выхода из фолликула. Живые клетки находятся только в корне и луковице волоса.

Какая часть волосяного волокна самая прочная?

Кортекс, поскольку его кератиновые пучки и дисульфидные связи выдерживают механическую нагрузку волокна.

Есть ли у каждого волоса медулла?

Нет. У толстых волос она обычно присутствует, а у тонких часто отсутствует.

Где находится меланин в волосе?

Внутри клеток кортекса: его вырабатывают меланоциты в луковице во время формирования волоса.

Что определяет, будут ли волосы кудрявыми или прямыми?

Форма фолликула и поперечное сечение стержня волоса. Овальные стержни завиваются, а круглые остаются прямыми (Thibaut et al., 2005).

Почему волосы становятся седыми или белыми?

С возрастом меланоциты вырабатывают меньше меланина, а структурные изменения внутри волокна начинают сильнее рассеивать свет.

Могут ли повреждённые волосы восстановиться самостоятельно?

Нет. Стержень волоса не способен регенерировать, хотя фолликул постоянно производит новые волосы.

Отличается ли состав волос у разных людей?

Да. Уровень пигмента, содержание липидов и минеральных веществ зависят от генетики, возраста, питания и окружающей среды.

Какая часть волоса отвечает за его рост?

Матрикс волоса в луковице, который получает питание от дермального сосочка.

Заключение: как понимание структуры волос помогает объяснить их здоровье

Волос — это ороговевшее волокно, состоящее из кутикулы, кортекса и медуллы, которое формируется живым волосяным фолликулом, проходящим циклы роста и покоя.

Волос функционирует одновременно на четырех уровнях: химическом — кератин, вода, липиды, пигмент и минералы; уровне волокна — кутикула, кортекс и медулла; фолликулярном — корень, луковица, матрикс и дермальный сосочек; биологическом — образование клеток, кератинизация, пигментация и цикл роста. Видимая часть волоса является мертвой и не способна к восстановлению, тогда как скрытый фолликул определяет формирование каждого будущего волоса. Это различие объясняет практически все вопросы, связанные с волосами: от того, почему кондиционер не может устранить секущиеся концы, до того, почему лечение выпадения волос направлено на кожу головы, а не на стержень волоса.

Литература

Bragulla, Hermann H., and Dominique G. Homberger. «Structure and Functions of Keratin Proteins in Simple, Stratified, Keratinized and Cornified Epithelia». Journal of Anatomy, vol. 214, no. 4, 2009, pp. 516–559.

NCBI. «Anatomy, Hair Follicle». StatPearls, National Center for Biotechnology Information, 2023.

Robbins, Clarence R. Chemical and Physical Behavior of Human Hair. 5th ed., Springer, 2012.

Schneider, Marlon R., Ruth Schmidt-Ullrich, and Ralf Paus. «The Hair Follicle as a Dynamic Miniorgan». Current Biology, vol. 19, no. 3, 2009, pp. R132–R142.

Thibaut, Stanislas, et al. «Human Hair Shape Is Programmed from the Bulb». British Journal of Dermatology, vol. 152, no. 4, 2005, pp. 632–638.