本节讨论盘绕螺旋特异性设计所涉及的几个不同方面。我们的目标是在核心处和边沿位置选择氨基酸以得到期望的寡聚态（ 见 3. 2.1)、特异性（见 3. 2. 2 ) 和螺旋取向 ( 见 3.2.3 )。这里，我们也把针对特定稳定性的不同设计方案联系起来。第 4 小节（见 3. 2.4 ) 涉及整体稳定性，集中在外部位点（b、c 和 f )。本章我们把所有内容分为小节逐一讨论。但是，正是由于所讨论的导致盘绕螺旋形成的相互影响的各因子的本性，本节的讨论会在几个地方互相交叉。因此，对于处理同一残基位置所起的不同作用的小节可以被认为是互相联系的片段。

3. 2. 1 寡聚态

为正常地发挥功能，任何蛋白质都必须折叠成合适的三维结构。类似地，盘绕螺旋结构必须采取正确的寡聚（ 四级）结构。在下一小节，讨论实现正确结构的主要因素。

3.2.1.1 核心残基

图 3.1，我们称 a 和 d 残基为核心残基，因为它们绕着每一个螺旋形成疏水带。 a 和 d 重复残基的非极性本性，有利于沿着每一螺旋的一面发生寡聚。这与在球蛋白折叠时蜷缩成的疏水核心类似，并代表对盘绕螺旋整体稳定性的主要贡献。结果是，核心残基在定义寡聚态上发挥主要的作用。

位置 a 和 d 上的疏水侧链，以 “杵适配臼”（knob- into - hole) 的方式掩埋于相邻螺旋中，并最先由 Crick 在 1953 年所描述 [ 15 ] 。在这一模型中，一个 a 螺旋的一个侧链 ( 杵），插入对面的 a 螺旋上的 4 个侧链围成的空间（臼）中，反之亦然。堆积几何被 C_α—C_β 键与臼底部的 C_α—C_a 向量构成的角在螺旋底部的投影所定义。对平行二聚体而言，位置 a ( 七元重复位置 i ) 的杵，适配到另一个螺旋的由位置上的残基顺时针排列（如果对着空洞看去）而成的臼中。因而，d_i 位的杵是在 a'_i、d'_i、e'_i 和 a'_i+1 围成的臼中（图 3.1)。 

对 GCN4 ( Jun 转录因子的酵母同源物，有时称为 GCN4-p1，见注 1 ) 盘绕螺旋不同核心突变的全面而完整的分析，揭示了不同寡聚态的不同堆积几何（表 3.1；参考文献 [ 16 ]）。GCN4-p1 二聚体 X 射线结构中的侧链堆积，和一个设计的四聚 GCN4 突变体的比较，证明 a 层和 d 层的局部几何被翻转了。平行的杵适配白堆积在二聚体的 3 层和四聚体的 d 层。相反，垂直的杵适配臼堆积，在二聚体的 d 层和四聚体的 a 层。在平行的三聚变体中，在 a 和 d 位发现了第三类的杵适配臼堆积 [17]，在这两层中，每个杵的 C_α—C_β 键与在对应臼底部的 C_α—C_β 键成近似的 60° 角。这一安排称为“尖锐” 的杵适配臼堆积。



这些不同的几何关系，解释了一定的寡聚态有独特的氨基酸偏好。下面列出几个实验结果，这些实验测试不同氨基酸对稳定性和寡聚特异性的影响。

( 1 ) 特异的疏水残基在强制盘绕螺旋采用何种寡聚态上是关键的。Harbmy 等系统地把 GCN4 ( 除 a1Met 外）所有的 a 和 b 残基改变为 Leu、Val 或 lie ( 见注2 ; 参考文献 [16])。如表 3.1 所示，这使得盘绕螺旋采用不同的寡聚态。GCN4- IL ( IL 指 a 位的 lie 和 d 位的 Leu)、II 和 LI 突变体分别是二聚、三聚和四聚，并且在研究的整个浓度范围内（寡聚态）与浓度无关。VI、VL、LV 和 LL 突变体以多种方式寡聚。 L、V 和 I 的每一个组合给出独特的堆积偏好，因而形成独特的几何特征。

a. 带 β 分支的残基（Val 和 lie ) 适合于平行的杵适配臼堆积（二聚体的 a 层和四聚体的 d 层），而 γ 分支的残基 Leu 适合于垂直的（二聚体的 d 层和四聚体的 a 层）几何特性。相反， β 分支的氨基酸插入垂直位，需采用热力学不利的旋转构象态 [18] 。

b. 很有可能，lie 和 Val 虽有相似的立体化学，但在建立寡聚态上是不等价的。在 a 位 的 Val 导致二聚体的能力比 lie 弱。与 Val 导致二聚-三聚混合物相反，lie 给出较高的二聚特异相互作用。

c. 与二聚体和四聚体结构相反，三聚体内部的堆积，在两个疏水位点，可以适应具有最适旋转构象态的 β 分支残基。

( 2 ) 在 Woolfson 和 Alber 的研究中，包括了对核心残基作用的研究，并把这些作用用来衡量七元重复残基的二聚和三聚倾向 [19] 。分析二聚体和三聚体的特性，并用这些特性来鉴别新的序列。掩埋的 Leu、lie、Asn、Lys 和 Gin 在其预测算法中是关键的，称之为 COILER。总的来说，使用了 21 个已知形成二聚体和三聚体的不同的蛋白质，相当于数据库中的 721 个七元重复。

a. 在起先考虑的 7 种氨基酸中（Ala、Phe、lie、Leu、Met、Val ) ，只有 a 位的 lie 和 Leu 以及 d 位的 Leu 在统计意义上被观察到。二聚体偏好 a 位富集 lie 和 d 位富集 Leu，而二聚体中的 d 位几乎没有 lie。很清楚，在这些位置上对氨基酸的这些选择使二聚体的形成有最好的堆积几何 [ 见 3.2.1.1 中（1 ) 和 表 3.1]。

b. 在盘绕螺旋序列的核心部位，Val 比 lie 分布得更均匀。在二聚体和四聚体的 a 位 和 d 位，Val 出现的频度甚至低于随机分布的预期值。这些结果与观察到的下述事实相符：a 位和 b 位的 Val 很难区分盘绕螺旋的二聚态和三聚态 [ 第 3.2.1.1 中（1 ) 和表 3.1]。

c. 三聚体中 a 位 和 d 位的堆积是差不多的，这些位置对氨基酸少有特异性，使得疏水氨基酸的分布更均匀 [ 16，19] 。