新浪博客

卷发背后的物理学

2024-11-05 10:33阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2614811577

卷发背后的物理学
无论你的头发是直的、波浪的、卷曲的还是扭结的，本质上都不只是遗传的。这依靠你的头发的非常原子的物理。
STARTS WITH A BANG — NOVEMBER 4, 2024
Ethan Siegel
卷发背后的物理学

这张照片作为2011年荷兰国际红发人日的部分拍摄。请注意这里代表的各种直发、波浪发、卷发或扭结发型和类型。Credit: Qsimple/flickr
关键要点
•不仅跨人群而且跨整个动物王国有各种各样的动物毛发和皮毛，都落入直发、波浪毛和卷发的一般类别。
•头发由一种名为角蛋白的蛋白质组成，你的头发的结构被蛋白质内氨基酸
之间的键决定，以氢、盐和二硫键都起角色。
•值得注意的是，只有一种丰富和结构中的氨基酸大体上对头发的结构是负责的。原子和分子键的生物物理学解释这一切。
跨动物王国，毛发和毛皮是超常见的。

卷发背后的物理学
尽管这些羊驼都覆盖着皮毛，但皮毛的厚度、卷曲度和长度从动物到动物变化的，并在一个个体动物体内从位置到位置变化的。毛囊的大小和形状起一个角色，但构成一只动物毛发或皮毛的角蛋白纤维的分子蛋白结构是是主要罪魁祸首。Credit: Antanasc/Goodfon
它们以许多种类的厚度、风格和结构而来。

卷发背后的物理学
帝王柽柳猴以它的面部毛发闻名，这些毛发通常以一组长、低的环弧向下卷曲，尽管有一些有其他特征的特殊例子。它的发型被在它的角蛋白蛋白质结构中发生的键决定。Credit: h080/flickr
尽管这些变化的属性，但毛发通常是相似的。

卷发背后的物理学
在人体不同部位上不同厚度的皮肤被发现，往往供相关到该部位的毛羽水平。你的腋窝有特别薄的皮肤，而你的膝盖有相对较厚的皮肤。皮肤厚度也因年龄、健康和其他因素变化。Credit: Madhero88 and M.Komorniczak/Wikimedia Commons
对所有动物，它都由角蛋白组成：一种基于蛋白质的结构。
Diagram illustrating a hair structure with labeled parts: α-helix chain, microfibril, matrix, macrofibril, cell membrane complex, para and ortho cells, cortex, epicuticle, exocuticle, endocuticle, cuticle.
此图显示在头发中发现的角蛋白的结构和各种结构元素。尽管角蛋白的复杂，但在它的核心只是一种蛋白质。Credit: W. Zhang & Y. Fan; Methods in Molecular Biology vol. 2347, 2021
反过来所有蛋白质都包含作为构建块的氨基酸。
LH2 LH3 proteins structure density
此图显示光合中用作收割光复合物2和3分子（顶部和底部）蛋白质结构触角蛋白的表面电荷密度（左）和结构组织（右）。请注意所有蛋白质都是由一串氨基酸链组成。Credit: D. Wang et al., PNAS, 2023
仅20-22个氨基酸对蛋白质构建生物学上是可利用的。
Diagram showing the chemical structures of the twenty-one proteinogenic amino acids, categorized by side chain charge and characteristics, including pK values and labels for positive or negative charges.
此图显示在真核生物中发现的21种蛋白原α-氨基酸的结构，按照它们的侧链的pKa值和对人体典型的pH值7.4携带的电荷分组。Credit: TungstenEinsteinium/Wikimedia Commons
基因学编码一只动物毛发的基本结构。
卷发背后的物理学
此图显示标准RNA密码子表，其中显示了涉及U、C、A和G碱基的64个可能的三碱基对密码子中的每一个。这些密码子编码氨基酸以及来开始（⇒）或结束（Stop）编码这些氨基酸中一个特定蛋白质的信息。请注意表中冗余的重要特征，因为对64个密码子通常只有20个氨基酸。DNA通常也编码20个氨基酸，胸腺嘧啶取代尿嘧啶。Credit: DNA and RNA codon tables/English Language Wikipedia
所有形式的角蛋白都拥有相同的二级结构：一个α螺旋。
Illustration of protein structures: a blue beta-sheet with three strands, and a red alpha-helix, each shown with their molecular diagrams.
尽管蛋白质的一级结构被它的氨基酸序列决定，但这些蛋白质折然后折叠的方式导致复杂的二级、三级和四级结构。一个蛋白质的二级结构被发生在各种氨基酸之间的氢键类型决定，两种主要形状是β叶（左）和α螺旋（右）。Credit: Thomas Shafee/Wikimedia Commons
然而，一单根头发的卷曲性依靠角蛋白内的氨基酸键。
Collage of a person with different hairstyles against a vibrant patterned background.
这张同一位女性的八张照片展示准备好的不同阶段。在最下面一行，最左侧的图像显示湿发，右侧的图像显示被用吹风机吹干后的头发，下一张图像显示被热拉直后的头发。头发的外观中的主要差异是由于氢键的存在和分布。Credit: Auntie P/flickr
氢键反映蛋白质边界附近原子多吸引和排斥的。
卷发背后的物理学
这幅图描画水分子之间与彼此的相互作用。水是一种V形的高极性分子，拥有带一个负电荷的一侧（氧原子所在的地方）和带正电荷的端部（氢原子所在的位置）。相邻的水分子通过氢键与彼此相互作用，如图中虚线所示。Credit: すじにくシチュー/Wikimedia Commons, modified by E. Siegel
这些键持续的断裂和再形成，代表着无常的结构。
Microscopic image of a honeycomb structure on the left and a colored molecular diagram on the right.
此图显示一系列氢键萘四羧酸二亚胺（NTCDI）岛，它们被氢键以一个二维组装把持在一起。右侧的图像与左侧的图像相同，除了显示NTCDI的叠加和对比度增强。Credit: A.M. Sweetman et al., Nature communications, 2014
当阳离子参与氢键时盐桥发生。
Diagram showing interactions between lysine and glutamic acid. Electrostatic interactions and hydrogen bonding are indicated with arrows and labeled.
与氢键不同，氢键发生在有不同电负性的中性原子之间，盐键（或盐桥）代表阳离子之间的静电相互作用，例如一个键距小于4ångströms正铵阳离子（这里是赖氨酸的一部分）和一个负羧酸根阳离子（这里的谷氨酸的一部分）。Credit: Chem540f09grp6/Wikimedia Commons; public domain
它们也容易断裂，与永久性的“卷曲的”特征无关。
Chemical structure diagram showing disulfide cystine link, ionic salt bridge from acid-base interaction, and hydrogen bond.
在蛋白质内发生有三种主要类型键来决定它们的三级和四级结构：氢键，这发生在一个分子内的中性、负电性或正电性原子之间；盐桥代表阳离子和原子之间的键；二硫键是来自一个蛋白质内半胱氨酸氨基酸发生的硫-硫键。Credit: No Added Chemicals/Blogspot
决定卷曲性的一种关键氨基酸是半胱氨酸。
Chemical structures of cysteine and cystine are shown, with a 3D model of cysteine on the left.
半胱氨酸是在人类中发现的20种氨基酸之一，是仅有的两种包含一个硫原子的氨基酸（与蛋氨酸一起）之一，唯一一种终止它的R基团链在硫中的氨基酸。一起连接硫原子的两个半胱氨酸分子形成一个叫胱氨酸的二聚体。Credit: American Chemical Society
拥有一个末端硫原子两个半胱氨酸能一起结合形成胱氨酸。
Structural diagrams showing the formation of a disulfide bond between two cysteine molecules. The bond links sulfur atoms, replacing two hydrogen atoms.
当两个半胱氨酸氨基酸如上图所示在它们内有硫基团结合并一起连接时，二硫键联系创造胱氨酸，而二硫键根本上改变包含两个成员氨基酸的更大分子的结构。Credit: CurlySelection
这些二硫联系主要决定一个人的头发的卷曲性。
Woman with long curly hair holding a drink, standing outdoors near stairs and greenery.
在单根头发内含有规则二硫键的头发将自然的卷曲，卷曲的紧密性被分子内氨基酸二硫键的间距决定。Credit: The Chic Chemist
放松一个人头发涉及打破这些二硫键，拉直一个人的头发。
Before and after hair treatment: left side shows frizzy, voluminous hair; right side shows smooth, sleek hair with added shine.
化学放松一个人的头发涉及使用一种强碱、巯基乙酸铵或甲醛来破坏形成胱氨酸的二硫键。这能被在要么高温要么低温下进行，后一种技术称为软键合。Credit: salonmadhu/Instagram
另一方面，烫一个人的发形成或再形成胱氨酸，以一种新的、更卷曲的结构一起把持角蛋白。
Person with hair in curlers seated in a salon chair, wearing a cape.
在将过氧化氢应用到要么自然直发要么化学直发后，卷发允许二硫键联系在含硫半胱氨酸链之间形成，依靠卷发的松紧性允许一个有波浪形、卷曲或扭结的头发的烫发。如图所示，大卷发器通常产生波浪形的头发。Credit: pudgeefeet/flickr
宏观上，头发的卷曲性源于它的分子结构。
A person with curly hair and glasses smiles at the camera in a room with a window and wall decorations.
某人的头发是自然的卷曲还是笔直（或波浪状或扭结）主要依靠他们的头发的氨基酸结构、半胱氨酸氨基酸表现的量和位置以及这些半胱氨酸如何或是否在它们内的硫原子之间形成二硫键。Credit: hourig94/flickr
大多寂寞的星期一以图像视觉和不超过二百字告诉一个科学故事。
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/physics-curly-hair/

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享