背景

对于单个氨基酸，其α-碳原子通过σ键连接左右的羰基和氨基，不考虑空间位阻和多样的残基等问题，一个蛋白质单就骨架就有许多能够自由旋转的键，因而也存在着无数多种可能的构象。但是就现实而言，每个蛋白具有结构或者功能上的特殊性，反过来暗示我们每个蛋白质应当具有唯一的结构，或是在几种特定的构象下分布。在1980年代，科学家们得到了几种重要蛋白质的结晶，其中包括但不限于血红蛋白、脲酶。能够形成晶体这一事实也证明了：即使是像脲酶（48.3kDa）这么大的蛋白质也具有唯一的结构。解决了蛋白结构唯一性是否存在的问题，对于理解蛋白质功能的构建至关重要的。

α螺旋是什么

多肽链中的肽链可能的最简单排布是一个螺旋结构，Pualing和Corey在1950年称之为alpha螺旋。在这种结构中，多肽骨架围绕一个假想的中轴螺旋延伸，氨基酸残基向外突出，每个螺旋包含3.6个氨基酸，按照轴线延伸0.54nm。自然界中已发现的α螺旋都是右手螺旋。

之所以α螺旋比其他可能的构象更为稳定，是因为α螺旋最充分利用了肽键彼此形成的内部氢键，一个螺旋中第n个位置的肽键中与电负性氮原子连接的氢原子，与第n+4个肽键中的羰基氧形成氢键，稳定了α螺旋。

而每个氨基酸的侧链也会影响α螺旋的稳定性，氨基酸可以通过残基的性质划分为亲水性和疏水性两类。亲水性氨基酸比如天冬氨酸（D）、赖氨酸（K）等残基中往往包含着羧基、氨基等强极性基团，疏水性氨基酸比如亮氨酸（L）、苯丙氨酸（F）等则带有脂肪链和芳香环。

因具有不同的残基，氨基酸被划分为不同的类别，但是在电子密度图谱中，一些氨基酸体现出了特别的相似性²。而对蛋白质的分子结构成像，证明了所有的20种天然氨基酸都存在于α螺旋中，没有因亲水或疏水而舍弃部分。

怎么形成α螺旋

正如上文所提及，亲水性的氨基酸和疏水性的氨基酸都有参与到α螺旋的形成当中，但是这不代表所有的氨基酸序列都能够形成稳定的α螺旋。

比如如果氨基酸含有一段连续的谷氨酸，在中性的环境下，谷氨酸残基中的羧基将失去氢原子，相邻谷氨酸的带电羧基相互强烈排斥，无法形成α螺旋。同样的中性条件下，连续的赖氨酸、精氨酸也会因为正电基团而互相排斥，无法形成α螺旋。

与之相对应的，正电基团与负电基团之间的互相作用也能够稳定α螺旋。类似肽键间的排布规律，第n个位置的氨基酸残基可以与第n+4个氨基酸残基通过正负电形成离子对。有些时候两个芳香族氨基酸也会这样分布，通过疏水相互作用稳定α螺旋。

对于一个α螺旋的稳定形成，一般要考虑以下五种约束：

1. 连续的带电氨基酸残基之间的静电排斥力或者吸引力。
2. 相邻氨基酸残基之间的空间位阻。
3. n与n+3/n+4位氨基酸残基之间的相互作用。
4. 脯氨酸或者甘氨酸的存在。
5. α螺旋两端氨基酸残基与电偶的相互作用。