Heat induced denaturation of fibrous hard alpha-keratins and their reaction with various chemical reagents

Istrate, Daniel; Möller, Martin

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-37137

Heat induced denaturation of fibrous hard alpha-keratins and their reaction with various chemical reagents = Durch Hitze denaturierte hart fiberartige alpha-Keratin und den Reaktion mit unterschidliche chemische Reagenzien

Istrate, Daniel (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Daniel-Vasilica Istrate

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

Umfang156 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Möller, Martin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-06-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37137
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63322/files/3713.pdf

Einrichtungen

RWTH Aachen (hsbk000000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Differential scanning calorimetry (Genormte SW) ; Keratine (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; activation energy (frei) ; differential scanning calorimetry (DSC) (frei) ; interfaces (frei) ; proteins (frei) ; hair (frei) ; cosmetic treatments (frei) ; alpha-keratin (frei) ; kinetics (frei) ; bleaching (frei) ; permanent waving (frei) ; oxidative dyeing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem thermischen Verhalten von fiberartigen Proteinen, die in starren Strukturen eingelagert sind. Zu den bekanntesten Vertretern dieser Klasse gehören die alpha-Keratine aus menschlichem Haar. Trotz einer großen Anzahl an wissenschaftlichen Arbeiten in diesem Feld wurde bis jetzt noch kein Mechanismus für die thermische Denaturierung von harten alpha-Keratinen vorgeschlagen. Ziel dieser Doktorarbeit ist das Aufstellen eines Modells für alpha-Keratin Fasern und die Klärung des Mechanismus für die thermische Denaturierung. Die Ergebnisse tragen zum Verständnis der Wirkungsweisen von verschiedenen kosmetischen Reagenzien auf die thermische Stabilität der Fasern bei. Die Verwendung von Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC), Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie offenbarte starke strukturelle Modifikationen, die durch die hohe Temperatur im Falle von Erwärmen des Keratins in offener Atmosphäre induziert wurden. DSC in offener Umgebung erwies sich als irreführende Methode infolge der Überlagerung von Pyrolyse und dem hier zu untersuchenden Prozess. Konsequenterweise legt diese Arbeit ihren Fokus in erster Linie auf DSC-Untersuchungen an Keratinen in einem Überschuss an Wasser. Untersuchungen des Einflusses von pH, insbesondere im Sauren, auf das thermische Verhalten von harten alpha-Keratinen zeigen Grenzen des Zweiphasenmodels auf, das bis jetzt für die Beschreibung der fiberartigen Proteine diente. Wir schlagen daher ein Dreiphasenmodel vor, das sowohl die gute thermische Stabilität der harten alpha-Keratinen als auch ihre Reaktivität gegenüber verschiedener Reagenzien erklärt. Dieser Ansatz basiert auf die Ergebnisse der DSC-Untersuchungen an Keratinen unter verschiedenen Bedingungen und wird durch Aminosäurenanalyse, Röntgenstreung, Ramanspektroskopie und Zugfestigkeitsuntersuchungen unterstützt. Gemäß des vorgeschlagenen Models hält die dritte Phase, die Grenzfläche zwischen dem kristallinen Bereich und der Matrixphase, die aus nichthelikaler Keratindomänen besteht, die dazwischenliegenden Filamente zusammen und kontrolliert sowohl die Wechselwirkung mit chemischen Reagenzien als auch ihre thermischen Eigenschaften. Die DSC-Messungen, die in Überschuss von Wasser und mit verschiedenen Heizraten durchgeführt wurden, dienten für die kinetische Analyse des endothermen Prozesses, der der Denaturierung der helikalen Bestandteile des menschlichen Haars zugeschrieben wird. Dabei fanden wir heraus, dass der kinetische Mechanismus autokatalytisch ist und die Aktivierungsenergie ist sehr nahe dem Wert für die Disulfidespaltung und nicht dem Wert für Proteindenaturierung. Diese Feststellung erlaubte einen Multischrittmechanismus für die thermische Denaturierung von harten alpha-Keratine bei Wasserüberschuss vorzuschlagen, der auf das Dreiphasenmodel, das ihre Struktur beschreibt, beruht. Dabei ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der thermischen Denaturierung die Spaltung der S-S Bindungen zwischen den morphologischen Hauptkomponenten, nämlich den dazwischenliegenden Filamenten (IF) und der Matrix (IFAP). Das vorgeschlagene theoretische Model zeigt gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die Änderung im thermischen Verhalten aufgrund chemischer Schäden an den harten alpha-Keratinfasern (menschliches Haar), hervorgerufen durch Bleichen, Einbringen von Dauerwellen und durch oxidative Färbung, wurde mittels DSC untersucht. Die Regressionsanalyse der Daten von Haarproben, die unterschiedlich behandelt wurden, zeigt eine lineare Korrelation zwischen der Enthalpie des DSC-Denaturierungspeaks und dem Cystingehalt der Faser. Die experimentellen Ergebnisse wurden im Rahmen des Dreiphasenmodels ausgewertet, in dem die nichthelikalen (globulären) Enddömänen von Keratin Filamentwechselwirkungen begünstigen und die thermischen Eigenschaften der IF Filamenten kontrollieren. Aminosäureanalyse, Röntgenstreuung und Zugfestigkeitsuntersuchungen belegen den Angriff der chemischen Reagenzien überwiegend in der Matrix und an der Grenzfläche zwischen Filamenten und Matrix. Ein möglicher Zustand zwischen dem nativen und denaturierten kristallinen, helikalen Material wurde vorgeschlagen, um die zunehmende Unordnung in den IF-IFAP Packungen, die durch eine aggressive Behandlung hervorgerufen wurde, zu berücksichtigen. Die DSC Daten weisen darauf hin, dass die IF des Keratins aus dem Haar ihre Organisation und thermische Eigenschaften durch chemisch-induzierte Wechselwirkungen modulieren können.

This dissertation is concerned with the thermal behaviour of fibrous proteins encapsulated in rigid structures, among the most well-known representatives of this class being the alpha-keratins in human hair. In spite of a lot of work in the field, there is still no mechanism proposed for accounting on how thermal denaturation process occurs in hard alpha-keratins. This work aims at proposing a model for the alpha-keratin fibres and a mechanism for their thermal denaturation process. These are further used for understanding the effect of various cosmetic reagents on the thermal stability of the fibres. The use of differential scanning calorimetry, scanning electron microscopy and light microscopy revealed strong structural modifications induced by high temperature in case of heating keratin material in an opened atmosphere. The DSC in open environment was showed to supply misleading information, due to the interference of pyrolysis with the process of interest. Consequently the present work focuses mainly on using DSC of keratins in water excess. The study of the influence of pH, particularly acid values, on thermal behaviour of hard alpha-keratins, indicates limits of the two-phase model used so far to describe the fibrous proteins. We propose a three-phase model for explaining fibrous hard alpha-keratins high thermal stability and their reaction with various reagents. The approach is based on results from DSC study of keratins under various conditions, and is supported by amino-acid analysis, x-ray diffraction, Raman spectroscopy and tensile strength observations. According to the proposed model, the third phase, the interface between crystalline and matrix phases, made of nonhelical tail domains of keratin, scaffolds the intermediate filaments and controls their interaction with chemical reagents as well as their thermal properties. The differential scanning calorimetry measurements carried out in water excess and with different heating rates were used for the kinetic analysis of the endothermic process assigned to the denaturation of the helical material from human hair. We found that the kinetic mechanism is autocatalytic and that the value of the activation energy is rather close to disulphide bond scission than to protein denaturation. This allowed us proposing a multistep mechanism for the thermal denaturation of hard alpha-keratins in water excess that relies on the 3-phase model which describes their structure. The limiting step of the thermal denaturation process is then the scission of S-S bonds between the main morphological components, namely intermediate filaments (IF) and matrix (IFAP). The theoretical proposed model shows a good agreement with the experimental recorded data. The chemical damage induced by bleaching, permanent waving and oxidative dyeing on the structure of hard alpha-keratin fibres (human hair) as revealed by modifications in their thermal behaviour was investigated by using differential scanning calorimetry. Regression analysis of the data from hair samples treated differently shows a linear correlation between the enthalpy of the denaturation peak recorded by DSC and the cystine content of the fibre. The experimental results are evaluated within the framework of a three-phase model in which the nonhelical (globular) terminal domains of keratin promote filament interactions and control the thermal properties of keratin intermediate filaments. Amino-acid analysis, x-ray diffraction and tensile strength measurements provide evidence that the attack of chemical reagents occur preponderantly in the matrix and at the interface between filament and matrix. A possible intermediate state between native and denaturated crystalline helical material is suggested to account for the increased disorder in the IFs-IFAP package induced by harsh treatments. The DSC data suggests that hair keratin IFs can modulate their organisation and thermal properties through chemical induced interactions.

Fulltext:
PDF