α螺旋是蛋白质主链的一种规则排列方式，通常呈右手螺旋。它与β折叠同为蛋白质二级结构的主要形式。其标志性特征是：序列位置相差四个氨基酸残基的主链基团之间形成重复排列的氢键。二级结构描述的是主链的局部组织方式，而非蛋白质完整的三维形态。(ebi.ac.uk)
主链几何构型
多肽链由氨基酸残基通过肽键连接而成。在理想的α螺旋中，相邻残基采取相同的重复构象，形成每圈约含3.6个残基的结构。每个残基沿螺旋轴前进约1.5埃，因此螺距——螺旋旋转一整圈时沿轴向前进的距离——约为5.4埃。侧链向外伸展，主链则构成中央的螺旋骨架。这些尺寸描述的是理想化结构；蛋白质中的螺旋并不一定完全规则。(ebi.ac.uk)
螺旋的旋向与氨基酸的手性有关。天然合成的蛋白质以L型氨基酸为主，这些氨基酸通常更倾向于形成右手α螺旋，因为这种排列能减少侧链与主链之间不利的空间干扰。左手α螺旋在几何上是可能的，但并不是蛋白质中的常见构型。因此，“L型氨基酸”这一名称并不意味着蛋白质螺旋是左手螺旋。(ebi.ac.uk)
主链构象也可用两个扭转角来描述，通常记为φ和ψ。拉马钱德兰图展示这两个角的组合，并标出与特定二级结构相容的区域。连续残基的角度组合反复落在α螺旋区域，是螺旋结构的特征，不过仅凭主链角度并不能描述其氢键网络的所有方面。(ebi.ac.uk)
氢键与螺旋末端
α螺旋的特征性相互作用，是残基i的羰基氧与残基i + 4的主链N–H基团之间形成氢键。羰基是氢键受体，N–H基团则是氢键供体。因此，这些氢键涉及的是主链，并不要求存在特定的侧链。这一区别解释了为什么许多不同的氨基酸序列都能采取相同的螺旋结构。(rcsb.org)
在长度有限的螺旋两端，这种重复的氢键网络无法原样延续。靠近N端时，一些主链N–H基团在螺旋内缺少通常与之配对的基团；靠近C端时，一些羰基也会出现同样的情况。螺旋封端指有助于满足这些基团相互作用需求的局部排列方式，其中包括它们与邻近侧链或主链片段形成氢键。封端基序使螺旋边界更倾向于出现某些特定残基。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
有序排列的肽基团还会产生一种静电效应，常被称为螺旋偶极，与电偶极子有关。螺旋靠近N端的一端呈部分正电性，靠近C端的一端呈部分负电性。由此产生的相互作用取决于残基的位置及周围的蛋白质环境；它们对稳定性的贡献无法用一个普遍适用的数值来表示。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
序列偏好与稳定性
不同氨基酸的螺旋倾向性有所不同，即它们在特定条件下采取α螺旋构象的倾向不同。实验比较通常表明，丙氨酸具有很强的成螺旋能力，而甘氨酸则相对不利于螺旋形成。甘氨酸的构象自由度格外大，因此将其限制在规则螺旋中会付出较大的构象熵代价。螺旋倾向性标度很有用，但不能脱离序列背景独立决定结构。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
脯氨酸的特殊之处在于，其侧链与主链氮原子闭合成环。位于螺旋内部的脯氨酸残基缺少通常的主链N–H供体，往往会使螺旋弯曲或中断。不过，称其为“螺旋破坏者”并不意味着它绝对不能出现在螺旋中：实验表明，脯氨酸在水溶液环境和类膜环境中的影响有显著差异。(ebi.ac.uk)
螺旋形成是蛋白质折叠的一部分，其稳定性取决于螺旋内部的相互作用，以及螺旋与蛋白质其余部分的相互作用。比较孤立肽段与完整蛋白质的实验发现，在适宜的情况下，两者的螺旋倾向性十分接近。这既说明肽段模型具有实用价值，也表明明确其适用背景十分重要。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在蛋白质整体结构中的作用
α螺旋是一种紧凑的结构单元，可以通过堆积构成更大的蛋白质折叠结构。在肌红蛋白中，螺旋组装成球状结构，富含碳的侧链大多被包埋在内部，避开周围的水，而带电残基通常暴露在表面。这说明局部二级结构如何与侧链的空间组织相结合，形成折叠后的蛋白质。(pdb101.rcsb.org)
螺旋也常常横跨细胞膜的脂质双层。由于沿轴向每个残基的上升距离较小，一段约二十个残基的螺旋可延伸约三十埃。因此，α螺旋是许多跨膜蛋白适用的结构单元。(ebi.ac.uk)
实验鉴定
通过X射线晶体学、核磁共振和电子显微镜获得的原子结构，使研究人员能够考察蛋白质主链的组织方式。判断螺旋结构可以依据其几何构型和氢键模式，而不只是看分子示意图中是否呈现螺旋外观。(pdb101.rcsb.org)
圆二色性提供了一种互补的光谱学测量方法，用于研究溶液中的螺旋结构。α螺旋肽的特征是在208和222纳米附近出现负谱带。在比较肽段螺旋含量和成螺旋倾向的实验中，222纳米处的测量被广泛采用。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
历史发展
莱纳斯·鲍林、罗伯特·B. 科里和赫尔曼·R. 布兰森在1951年4月发表的一篇论文中提出了α螺旋构型。他们的模型依据实验确定的原子间距、键角、平面肽基团以及合理的氢键，构建出重复的多肽构象。论文指出，每圈约含3.7个残基的螺旋很可能是纤维状蛋白质和球状蛋白质共有的结构特征，预见了后来得到证实的α螺旋的重要地位。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)