Advanced

Molecular dynamics and keratin structure in human nails, and comparisons to hair and skin

Larsson, Sandra LU (2020) KEMR20 20201
Department of Chemistry
Theoretical Chemistry
Abstract
The keratin structure and mobility of protein and lipid components in keratinous materials, and the changes in these properties upon hydration and addition of osmolytes affects the mechanical properties and permeation of skin, hair and nails.
In this thesis, the effect of hydration and the addition of solvents and an osmolyte on the structure of keratin filaments and on the mobility of protein and lipids in nails and hair was studied. PT ssNMR was used to study the mobility of amino acid and lipid segments in hair and nails. No increase in the mobility of amino acid segments in either hair or nails was noted for any of the additives, including water. An increase in the mobility of lipid segments in both hair and nails was observed at... (More)
The keratin structure and mobility of protein and lipid components in keratinous materials, and the changes in these properties upon hydration and addition of osmolytes affects the mechanical properties and permeation of skin, hair and nails.
In this thesis, the effect of hydration and the addition of solvents and an osmolyte on the structure of keratin filaments and on the mobility of protein and lipids in nails and hair was studied. PT ssNMR was used to study the mobility of amino acid and lipid segments in hair and nails. No increase in the mobility of amino acid segments in either hair or nails was noted for any of the additives, including water. An increase in the mobility of lipid segments in both hair and nails was observed at additions of water or ethanol. SAXS and WAXS measurements showed structural changes in keratin filaments at hydration and addition of ethanol and acetone. The changes in molecular structure and dynamics in hair and nails were compared to experiments on SC and close similarities were found in the changes in lipid mobility and keratin structure. Hair and nail amino acids were determined to be more rigid than SC amino acids. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Hud, hår och naglar är utåt sätt olika, men på en mikroskopisk nivå är likheterna stora. Det översta lagret av hud, som kallas stratum corneum, hår och naglar består av döda celler till mestadels fyllda av proteinet keratin. Keratinet i dessa celler bildar cylindriska strukturer; keratinfilament, som består av flera keratinkedjor. Denna uppbyggnad ger materialen både styrka och flexibilitet. Lipider, en typ av molekyler som är olösliga i vatten, finns också i hud, hår och naglar. Dessa finns mellan de keratinfyllda cellerna och framförallt i huden bildar de flera lager av många lipidmolekyler. Vatten och många andra molekyler har svårt att tränga igenom dessa lipidlagren vilka fungerar som en barriär så att vi människor inte ska ta in... (More)
Hud, hår och naglar är utåt sätt olika, men på en mikroskopisk nivå är likheterna stora. Det översta lagret av hud, som kallas stratum corneum, hår och naglar består av döda celler till mestadels fyllda av proteinet keratin. Keratinet i dessa celler bildar cylindriska strukturer; keratinfilament, som består av flera keratinkedjor. Denna uppbyggnad ger materialen både styrka och flexibilitet. Lipider, en typ av molekyler som är olösliga i vatten, finns också i hud, hår och naglar. Dessa finns mellan de keratinfyllda cellerna och framförallt i huden bildar de flera lager av många lipidmolekyler. Vatten och många andra molekyler har svårt att tränga igenom dessa lipidlagren vilka fungerar som en barriär så att vi människor inte ska ta in eller tappa för mycket vatten och så att vi inte ska ta in skadliga ämnen genom huden. De keratinfyllda cellerna fungerar också som ett hinder för olika molekyler att tränga igenom. I naglar och hår, som inte har en lika stor andel lipider som huden, är keratinbarriären kanske ett ännu viktigare hinder.

I de flesta fall är det önskvärt för människan att det är svårt att tränga sig igenom huden, naglarna eller håret. Men när man vill leverera läkemedel genom naglar för att bota nagelsvamp, eller smörja huden med krämer för att motverka torrhet eller behandla eksem, måste man få molekylerna i läkemedlen att passera dessa hinder och tränga genom materialen till ställena de ska verka på. Då kan man använda sig av olika tekniker för att öka genomträngligheten av huden eller naglarna. Ett välbevisat trick för att göra detta är att blötlägga huden eller naglarna. När man får huden att ta in mer vatten ändras vissa mikroskopiska egenskaper i den. Strukturen av keratinfilamenten förändras och rörligheten av proteinerna och även lipiderna utanför cellerna ökar. Dessa förändringar sammanlagt tros förklara varför en ökad vattenhalt i huden ökar genomträngligheten av många läkemedel. I naglar är mekanismen för varför genomträngligheten ökar med vattenhelten inte utredd. Eftersom naglar är mycket likt uppbyggda huden är det troligt att detta sker på ett liknande sätt som i huden, och att även hår kan visa samma förändringar. I den här uppsatsen studeras keratinstrukturen och rörligheten av aminosyror och lipider i naglar och hår för att utreda vad som händer på mikroskopiska nivåer när man tillsätter vatten, och ett par andra vanliga ämnen som ofta kommer i kontakt med naglar i form av nagelborttagningsmedel (aceton) och handsprit (etanol). Resultaten av experimenten som utförs jämförs sedan med forskning som gjorts tidigare på hud.

Från de undersökningar som gjordes på naglar och hår visade det sig att naglar och hår har många likheter till hud i hur de svarar på ökad vattenhalt. Det sker likanande förändringar i keratinstrukturen och rörligheten av lipiderna ökar. Däremot visade sig aminosyrorna vara betydligt mindre rörliga i både naglar och hår jämfört med huden, vilket troligen kan förklaras av de skillnader i keratinstrukturen som finns mellan hud, hår och naglar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Larsson, Sandra LU
supervisor
organization
course
KEMR20 20201
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
physical chemistry, keratin, nails, hair, skin, lipids, NMR, x-ray scattering, infrared spectroscopy, sorption, fysikalisk kemi
language
English
id
9019180
date added to LUP
2020-06-18 18:20:25
date last changed
2020-06-18 18:20:25
@misc{9019180,
  abstract     = {The keratin structure and mobility of protein and lipid components in keratinous materials, and the changes in these properties upon hydration and addition of osmolytes affects the mechanical properties and permeation of skin, hair and nails. 
In this thesis, the effect of hydration and the addition of solvents and an osmolyte on the structure of keratin filaments and on the mobility of protein and lipids in nails and hair was studied. PT ssNMR was used to study the mobility of amino acid and lipid segments in hair and nails. No increase in the mobility of amino acid segments in either hair or nails was noted for any of the additives, including water. An increase in the mobility of lipid segments in both hair and nails was observed at additions of water or ethanol. SAXS and WAXS measurements showed structural changes in keratin filaments at hydration and addition of ethanol and acetone. The changes in molecular structure and dynamics in hair and nails were compared to experiments on SC and close similarities were found in the changes in lipid mobility and keratin structure. Hair and nail amino acids were determined to be more rigid than SC amino acids.},
  author       = {Larsson, Sandra},
  keyword      = {physical chemistry,keratin,nails,hair,skin,lipids,NMR,x-ray scattering,infrared spectroscopy,sorption,fysikalisk kemi},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Molecular dynamics and keratin structure in human nails, and comparisons to hair and skin},
  year         = {2020},
}