3.2.4.1 螺旋長度
一般來說，在盤繞螺旋鏈長度增加時，觀察到穩定性的（線性）增加
[61] 。這是因為盤繞螺旋的序列將會起到額外的重要作用。例如，Lau 和 Hodges 構建了一個比原肌球蛋白（ 284
殘基盤繞螺旋）還穩定的 29 聚體（見 注 25；參考文獻 [ 62]
)。在增加了的疏水掩埋、氫鍵以及極性相互作用的基礎上，可以期待，當長度增加時， 盤繞螺旋結構變得更加穩定。在對設計的齊二聚肽的長度研究中（見注
26；參考文獻 [63] )，這已被證明。雖然最短兩個七元重復（見注 27；參考文獻 [ 64 ] )
也是需要的，在同三聚體的情況下容許結合。Lac 阻遏蛋白的盤繞螺旋結構域被用來作為檢測鏈長對穩定和折疊的效應的基礎 [ 65 ]
。毫不奇怪，四聚體的解離常數隨每個螺旋 中七元重復數的增加而降低（見注 28 )。有些更令人驚奇的事實是，每個螺旋少到 4
個的七元重復協同地折疊，并沒有二聚中間物的跡象。
與短盤繞螺旋相反，長的盤繞螺旋，如像原肌球蛋白和肌球蛋白重鏈結構域，并不在它們的核心排它性地富含大塊的非極性氨基酸。更恰當地說，由于蛋白質長度所提供的穩定性，這樣的蛋白質含有小的非極性或帶電殘基[
66] 。這些殘基約占到核心的 40%。這些不利于穩定的殘基集團主要由 Ala
組成，因為這種殘基比起極性殘基來說對核心的穩定性損害較小（比極性側鏈更容易堆積），并能增加整體的螺旋傾向性。這意味著，盡管獲得正比于七元重復數的穩定性增加，但并未在這些長盤繞螺旋中觀察到，從進化的觀點來看，這樣高的穩定性增加是不必要的。作為代替，疏水穩定的殘基集團為盤繞螺旋提供必要的穩定性，而使穩定性降低的殘基集團卻不提供穩定性，但它們確實維持螺旋結構。這些主要含
Ala 的殘基集團，在這些區域增加游變性和局部的去折疊，卻不影響盤繞螺旋的整體穩定性，很可能允許蛋白質行使其獨特的生物功能。
3.2.4.2 螺旋傾向
據
Litowski 和 Hodges 報道，通過把 Ser 改變為 Ala ( 具最高螺旋傾向性的氨基酸）來增加非核心殘基的 a
螺旋傾向，可以穩定整個的盤繞螺旋 [ 67] 。在它們的模型----Glu/Lys 盤繞螺旋（見注 29 ) 中，這導致每個替換 0.4~0.5
kcal/mol 的穩定化。這與早先 O'Neil 和 DeGmdo 的結果相符 [68] 。這個數值小于對單個 a
螺旋的值，可能是因為維持盤繞螺旋涉及額外的穩定化相互作用。
一般來說，外部殘基
b、c 和 f 應該與溶劑形成氫鍵，并且在同時，補償潛在的不再能與之形成氫鍵的伙伴 [69] 。這些殘基也負責幫助維持 α
螺旋傾向，其中每個殘基都有一個構型偏好，或者穩定化或失穩化螺旋 [68] 。Ala 的 a
螺旋傾向已知是所有氨基酸中最高的，并且雖然所有普通的核心疏水殘基（Asn 為例外）都有高的 a 螺旋傾向，溶液暴露的 Arg 和 Lys
也起一定的作用。這是因為 Lys 和 Arg
兩者都是很好的氫鍵伙伴，并且非常適合用來改善分子的溶解度。確實，我們發現，螺旋傾向性在盤繞螺旋設計中是一 個重要的因素。 (http :
//ww w. molbiotech. uni- freiburgode/bC IPA)。
3.2.4.3 與螺旋宏偶極的相互作用
蛋白質結構中
α 螺旋組成的統計分析揭示不同的氨基酸偏好螺旋的不同部位。特別地，帶負電能力的殘基（Asp 或 Glu ) 強烈地偏好接近螺旋的 N
端，而帶正電能力的殘基（His、Arg 或 Lys) 稍弱地偏好 C 端 [ 71，72]
。解釋極性側鏈對螺旋末端偏好的模型可以分為兩類。第一，因為 α 螺旋的頭 4 個主鏈 NH 基團和最后 4 個 CO
基團不能與其他的主鏈基團形成 i→i+4 主鏈氫鍵，螺旋末端的極性側鏈則可以代為氫鍵伙伴。這稱為螺旋戴帽并在3.2.4.4
節有描述。第二，帶電側鏈和由單個肽骨架偶極排列形成的 α 螺旋凈偶極矩之間的靜電“電荷-螺旋偶極”相互作用也可以使蛋白質穩定或失穩。
(
1 ) Hodges 研究組研究了帶負電的 Glu
側鏈，對一個設計的、沒有螺旋內和螺旋間相互作用的、齊二聚盤繞螺旋穩定性的影響的位置效應（見注 30；參考文獻
[73])。在盤繞螺旋的每一個鏈的近 N 端，一個取代 Gin 的 Glu 在 pH 7.0
使盤繞螺旋穩定，與電荷-螺旋偶極相互作用模型相符。相反，在螺旋中部用 Glu 替換會降低螺旋穩定性，因為在 pH 7.0 相比于 Gln，Glu
的螺旋傾向和疏水性更低。在 C 端的 Glu
被替換則更加降低盤繞螺旋的穩定性，這是因為本身帶有的降穩定性能力，和與螺旋偶極矩的負極間不利的電荷-螺旋偶極相互作用的綜合效果。
(
2 ) 在從兩個在 4 個 a 位和 4 個 g 位含 Glu、Gin、Arg 和 Lys
殘基等摩爾混合物的設計的蛋白質庫中挑選雜二聚盤繞螺旋時（見注 7 )，Amdt 等觀察到，在選出的盤繞螺旋序列中，帶負電的 Glu 和中性的
Gin 在 N 端部分的富集，以及帶正電的 Lys 和 Arg 在 C 端部分的富集。這種偏好與假設的電荷-螺旋偶極相互作用符合得很好。
3.2.4.4 螺旋戴帽
螺旋可以標記為
N'-Ncap-N1-N2-N3-N4-mid-C4-C3-C2-C1-Ccap-Cy。在這些位置中，N'、Neap、Ccap 和 C'
沒有螺旋的平和中角，并且 N1-N2- N3···C3-C2-C1 參與作為 α 螺旋特征的 i→i+4 氫鍵。殘基
N1、N2、N3、C1、C2 和 C3 是唯一的，因為它們參與 i→i+4 骨架 -骨架氫鍵的酰胺基只使用 CO 基（在 N 端）或者 NH
基（在 C 端) ( 見 3.2.4.3 )。這些殘基對形成氫鍵在螺旋結構和穩定性上有強有力的影響「 74 ] 。從 N4 或 C4
往上，所有殘基都可以滿足 NH 和 OH 骨架氫鍵條件。
(
1 ) 在螺旋設計中，在 N 端對穩定性最具選擇性的位置是 Neap 位。對這個位置 6 個最適合的殘基是
Ser、Asp、Thr、Asn、Gly 和 Pro，另外有 11
個殘基（Val、lie、Phe、Ala、Lys、Leu、Tyr、Arg、Glu、Met 和 Gin ) 被完全排除 [ 75 ] 。對 Neap
的 6 個最適殘基中，Ser、Asp 和 Thr 是最好的。
(
2 ) Neap 模體的一個好例子是 Ser- Xaa- Xaa-Glu (Ncap- N 1- N 2- N 3 )
，其中反向的側鏈/主鏈相互作用樣式（ Neap 位 Ser 的 OH 與 Gki 的 NH，以及 Ghi 的羰基與 Ser 的 NH )
使螺旋穩定。進一步的穩定可通過 Ser- Xaa- Xaa- Glu 模體前后的疏水殘基達成 [76] 。Lu 等在 GCN4
的序列中引進了這一戴帽樣式，因此而使盤繞螺旋達到 1.2 kcal/mol 的穩定水平（見注 31；參考文獻 [77])。
(
3 ) N1 位 和 C' 位很喜歡 Pro (
在立體化學上是相容的，因為前面的殘基具有非螺旋的骨架兩面角），這確實是一個共同的螺旋終極模體，但必須避免出現在螺旋主體中，以及 C3、C2 和
Ccap 位。作為所有氨基酸中溶解度最髙的 Pro 與螺旋末端的溶液暴露位是相容的 [78] ，并且不需要氫鍵受體，因為它沒有骨架 NH 基團
[76] 。
(
4 ) C 端戴帽模體包含骨架-骨架氫鍵，而不是在 Neap 和 N3 之間觀察到的側鏈到骨架氫鍵。在 C
端骨架，氫鍵由螺旋后骨架基團來實現（如 Schellman 模體中的 C' 和隨后的 C''；參考文獻 [76])。這意味著，C 端只在 C'
位需選擇可以取正$角的殘基，如 Gly。
3.2.5 理性設計與選擇技巧
蛋白質設計的復雜本性意味著設計或預選具有高穩定性的序列是一件令人畏縮的任務。如果程序允許，寧愿生成一個相互作用庫——
可檢查其序列是否有成功的相互作用的不同分子的集合。這可認為是半理性的設計，憑此可在庫中引進特定位點的平衡變化（經常維持野生型殘基不變），得到的大量分子組合可供篩選。正常情況下，在類似的設計中，要改變所有七元位為所有可能的氨基酸，將會產生大而不現實的庫容（如果含
4 個七元重復，每個位點有兩種可供選擇的氨基酸，將會產生 228 = 2.68 X 108 庫成員）。但如果只需產生一條待合成并測定結合強度的序列，則會是耗時且枯燥的，而且結果常會是令人沮喪的。采用半理性設計，可得到合理的折中，一個分子可以包含在庫中，測試它是否確實是一個用于結合的優秀候選者，同時，提供多功能以產生新的、
非直覺的、并常常是全新的結合伙伴。在基于細胞的系統中的選擇，具有更多額外的優點，可以伴隨地篩選出對該有機體內的蛋白酶敏感的序列。