Permanenta håret

Kemisk bakgrund

Håret

Hårstråets uppbyggnad

Hår består till största delen av ett protein som kallas keratin. Keratinet produceras i speciella celler som finns i ytterhuden och i naglarna. I genomsnitt består hår av 51 % kol, 6 % väte, 17 % kväve och 20 % syre. Dessa procentsatser varierar från person till person.

Hårstrå
Strukturen hos ett hårstrå.
Bild: © Svante Åberg
Vissa brukar säga att hår är den död del av vår kropp. Detta stämmer faktiskt. Hårstrån har en lökformad rot som omsluts av en hårsäck, sk. follikel. I hårstrån finns inga nerver och det förses inte heller med något blod. På sätt kan man säga att det är dött. Hårstrået tillväxer i den lökformade roten. Tillväxttakten varierar men i genomsnitt växer hårstrån med 1 cm per månad, tillväxten är som snabbast i 15-30 års åldern. Man brukar dela in hårstrået i tre stycken olika delar: kutikulan, även kallat täckcellerna, är den yttre hårda skiktet av hårstrået, det är uppbyggt av genomskinliga, överlappande, fjällliknande celler som växer från huvudet mot hårstråets ände. Det skikt som finns innanför kutikulan kallas för cortex, eller barksubstans, denna del av hårstrået är uppbyggt av runda celler. I cortex finns de pigment som ger oss vår hårfärg. Den allra innersta delen av hårstrået namnges medulla, eller märgrummet. Cellerna i medullan är runda. Personer med mycket tunt hår kan i vissa fall sakna medullan i sina hår.

Rakt, vågigt eller lockigt?

Vilket utseende man har på sitt hår beror av våra gener. Det som i slutändan formar hårstrået är hårsäcken (follikeln). Om hårsäcken är rak, blir hårstrået också rakt, en krökt hårsäck ger vågigt hår, och en sprialformad hårsäck ger lockigt eller krulligt hår. Längst ned i hårsäcken finns papillen, fylld med nerver och blodkärl, den ansvarar för hårets tillväxt.

Fett normalt eller torrt hår?

I anslutning till hårsäcken finns små talgkörtlar som utsöndrar ett oljigt ämne som smörjer håret och hårbotten. Hur mycket av detta ämne (sebdum) som produceras beror av bla. kost, blodcirkulation, stress och läkemedel.

Ståpäls, gåshud, rysningar, kalla kårar och tuppaskinn

Runt hårsäcken finns en liten muskel, hårresarmuskeln. Denna muskel styrs av autonoma nervystemet, dvs. vi kan inte påverka den med vilja. Hårresarmuskeln drar ihop sig vid kyla, rädsla och andra känsloyttringar, då ställer sig hårstråna och vi får det som kallas gåshud.

Hårstråets tillväxt

Vi har ca 120000 hårstrån på våra huvuden. Detta varierar dock starkt från person till person. Ett hårstrå lever mellan 2-8 år. Under ett hårstrås livstid (om man kan kalla det så) så genomgår det tre faser, tillväxtfas, övergångsfas och vilofas. Tillväxtfasen upptar den största delen. I och med att hårstrået går in i övergångsfasen börjar papillen som förser hårstrået med näring att dra ihop sig. Slutligen når hårstrået vilofasen, när vilofasen är slut så lossnar hårstrået. Processen kan börja om igen med ett nytt hårstrå.Procentmässigt så befinner sig ca 85% av hårstråna i tillväxtfas, 1% i övergångsfas och 14% i vilofas. Varje dygn så tappar vi mellan 50-150 hårstrån.

Fakta till ovanstående stycken är hämtade från [1 s. 14-18].

Rulla håret blött respektive torrt

Som tidigare nämnt så är håret uppbyggt av keratin. Om man tittar på strukturen för ett hårstrå och förstorar det så man ser en keratinmolekyl kommer den att se ut på detta sätt.

Hårstrå
Innanför kutikulan består ett hårstrå av fibriller som i sin tur är uppbyggda av tre keratinmolekyler vardera.
Bild: © Svante Åberg

Kerainhelix
Keratinmolekylen liknar en telefonsladd.
Vätebindningarna är markerade med gröna linjer.

Ett flertal bindningstyper ar verksamma för att skapa hårets struktur. En av dessa bindningar är vätebindningar. Vätebindningarna sitter mellan huvudkedjorna i α-helixen (utläses alfa-helixen) [3, 4]. Detta kan jämföras med man hade bindningar mellan krokarna i en telefonsladd. Dessa vätebindningar medför att håret är elastiskt (du töjer ut telefonsladden och när du släpper går den tillbaka till ordinarie tillstånd). Dessa bindningar är elektrostatiska och är både lätta att bryta och att skapa.

Vätebindningarna medför att håret går att forma i blött tillstånd och håret behåller den form som det rullats i när det torkat, du kanske har gått och lagt dig med blött hår nån gång. Lockarna blir mer hållbara då de rullats i blött hår än i torrt hår eftersom vätebindningarna inte kan tvingas att binda om på nytt i torrt hår. När det gäller blött hår så finns det god tillgång på vatten (vätebindningar) och bindningar som är spända kan brytas och nya mindre påfrestade bindningar bildas. Eftersom vätebindningen är en ganska svag bindning så blir resultatet ej beständigt. För att nå ett sådant resultat måste man bearbeta håret på kemisk väg.

Permanent

Att förändra hårets utseende med kallpermanent uppfanns i Kalifornien 1938-39 [1]. Som tidigare nämnts är håret uppbyggt av keratin. I keratinet finns rester av cystein, en aminosyra i ett protein som innehåller hög halt av svavel i form av sulfid. Det som håller ihop dessa keratinmolekyler är flera svavel-svavelbryggor mellan keratinmolekylerna. Bindningen ser ut på detta sätt:

En SH-grupp i en cystein har reagerat med en annan cysteinmolekyl i en annan keratinmolekyl och väte har frigjorts. På detta sätt ser det ut i alla hårstrån. Det som sker vid permanent är att man bryter dessa bindningar med en speciell permanentvätska. Sedan kan man forma håret enligt den mall (hårrulle) som man vill att håret ska ha. Efter det så tillsätts fixeringsvätska som medför att nya svavel-svavelbryggor skapas. Håret har fått en ny permanent form. Reaktionen kan beskrivas som följande:

Reaktionen vid permanentning
Vid permanentningen bryts disulfidbindningarna
för att återbildas när håret har syn nya form.

Bild: © Svante Åberg

Som reduktionsmedel i första steget används ibland ammoniumsaltet av tioglykolsyra (ammoniumtioglykolat). Som oxidationsmedel används väteperoxid, natriumperborat eller andra oxiderande ämnen. Vilka ämnen som används varierar mellan de olika permanentmärkena. Numera används ofta permanentvätskor som ska förstöra håret så lite som möjligt vid permanent. Vad man bör observera vid permanent att det är en kemisk behandling som kan skada håret allvarligt om det utförs flera gånger.

Fördjupning

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)


Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K


Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Vätebindning

Vätebindningar finns i vatten och i många organiska ämnen i kroppen. Vätebindningar ger ämnena polära egenskaper, såsom löslighet i vatten. Vätebindningarna är också viktiga för strukturen hos till exempel DNA.

I strukturformler brukar vätebindningen markeras med streckad linje.

Bindningskrafter inom och mellan molekyler

Kemiska ämnen hålls samman av starka bindningar såsom kovalenta bindningar i molekylföreningar och jonbindningar i salter. Bindningar inom föreningen är intramolekylära krafter.

Men det finns också bindningar mellan föreningarna, intermolekylära krafter.

intramolekylär = inom molekylen
intermolekylär = mellan molekyler

Intermolekylära krafter är svagare än de intramolekylära.

Vätebindning kan ske när vätet sitter på N, O eller F

Den så kallade vätebindningen hör dock till de starkare intermolekylära krafterna. Den kan beskrivas som en extra stark dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan uppstå mellan ett väte som sitter på atomslaget N, O eller F i en molekyl och atomslaget N, O eller F i en annan molekyl.

Här är några exempel på kemiska föreningar som kan bilda vätebindningar:

Vatten: H2O kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätesulfid H2S vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.
Vätefluorid: HF kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätebromid HBr vätebinda eftersom brom inte är tillräckligt elektronegativ.
Ammoniak: NH3 kan vätebinda.
Karboxylsyror: exempelvis ättiksyra, CH3COOH kan vätebinda.
Alkoholer: exempelvis etanol, CH3CH2OH kan vätebinda. Däremot kan inte analogen etantiol CH3CH2SH vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ. Isomeren CH3-O-CH3 till etanol har samma summaformel, men föreningen är en eter och sådana har inget väte som sitter direkt på syreatomen. Därför kan etrar inte vätebinda.
Aminer: exempelvis ettylamin, CH3CH2NH2 kan vätebinda. Undantag är tertiära aminer som trimetylamin N(CH3)3 eftersom det inte sitter någon väteatom direkt på kvävet. Inte heller kan analogen etanitiol CH3CH2SH inte vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.


Vätebindning kan även ske till kloridjoner

Kloratomen är inte tillräckligt elektronegativ för att skapa ett elektronmoln med så hög täthet att vätebindningar kan skapas. En enskild kloratom kan däremot få tillräckligt tätt elektronmoln genom att ta upp en extra elektron så att en kloridjon skapas.

En lite udda variant av vätebindningar kan därför fås mellan den negativt laddade kloridjonen och vattenmolekyler i lösningen, exempelvis en koksaltlösning.

Bilden till höger är en ögonblicksbild av en simulering. Vätebindningarna är markerade med röda streck. Väteatomer är vita, syreatomer röda och kloridjonen är rosa.

Man kan se vätebindningar mellan vätet i vatten och kloridjonen, liksom vätebindning mellan vätet i en vattenmolekyl och syret i en annan vattenmolekyl.

N, O och F är starkt elektronegativa atomslag


Elektronmolnet kring en vattenmolekyl är starkt förskjutet från väteatomerna mot syreatomen.
"Water charge distribution" av Martin Chaplin

Atomslagen N, O och F är de mest elektronegativa atomslagen i hela periodiska systemet. Elektronegativa atomer har förmågan att dra till sig elektroner.

I vatten sitter vätet på en syreatom. Vätet har en kärna med laddningen +1 och en elektron med laddningen –1. En fri väteatom har därför nettoladdningen 0. Syret drar till sig elektronmolnet mycket effektivt, vilket leder till att det blir ett positivt laddningsöverskott δ+ på väteatomen. Vatten har två väteatomer, som sitter på syret. Även den andra väteatomen får ett positivt laddningsöverskott δ+. På motsvarande sätt får syreatomen ett dubbelt negativt laddningsöverskott 2δ–.

Det positiva vätet i en vattenmolekyl kan binda till det negativa syret i en annan vattenmolekyl med så kallad vätebindning. Bindningen är ovanligt stark för att vara en intermolekylär bindning. Det beror på att vätet är nästan ”naket” när elektronmolnet dragit sig undan så effektivt från vätet. Därmed kan vätet komma mycket nära syreatomen i den angränsande vattenmolekylen, vilket gör att den elektrostatiska attraktionen blir extra stark.

Vätebindningarna ger vattnet dess egenskaper

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vatten är det viktigaste lösningsmedlet, inte bara inom kemin, men också för livet på jorden. Vattnet har nämligen speciella egenskaper som beror på vätebindningarna mellan molekylerna.

På grund av polariteten hos vätebindningarna är vatten ett utmärkt lösningsmedel för polära ämnen såsom salter och organiska ämnen med polära grupper. Den vinklade formen hos vattenmolekylen ger en hexagonal struktur hos iskristallerna när vattnet fryser, vilket återspeglas i snöflingornas sexkantiga form. Iskristallerna hålls samman av vätebindningar. Vätebindningarnas styrka gör också att vattnets kokpunkt är mycket högre än den annars skulle vara.


Vätebindningarna ger struktur åt DNA

Vårt genetiska arv är kodat i DNA. Där finns basparen AT (Adenin och Tymin) och GC (Guanin och Cytosin). Det är viktigt att A verkligen parar med T och att G verkligen parar med C, annars skulle det bli oordning i den genetiska koden.


Basparning av Adenin och Tymin.

Basparning av Guanin och Cytosin.
"Base pair Adenine Tyhmine" av Yikrazuul" Public Domain Mark "Base pair Guanine Cytosine" av Yikrazuul" Public Domain Mark

Parningen blir rätt tack vare att A och T parar med två vätebindningar, men G och C parar med tre vätebindningar.