miniatura|Vista lateral a nivell atòmic de residus d'alanina d'una hèlix α En color fúcsia, estan ressaltats dos ponts d'hidrogen, que separen l'oxigen i l'hidrogen per 2 Å. La proteïna va cap amunt, és a dir, té l'extrem amino a dalt i l'extrem carboxílic a baix. Al dibuix s'hi representa com els oxígens (de vermell) assenyalen cap amunt mentre que els grups –NH (de blau) ho fan cap avall. Lhèlix alfa, o hèlix α (alpha helix en anglès), és el motiu principal de l'estructura secundària de les proteïnes. És una estructura enrotllada en una espiral dextrogira, en què cada grup N-H d'un aminoàcid n pot establir un enllaç pont d'hidrogen amb el grup C=O de l'aminoàcid n+4 de la mateixa cadena peptídica. Sovint aquesta estructura també s'anomena hèlix alfa de Pauling-Corey-Branson. És important constatar que de tots els tipus d'estructures locals de les proteïnes, l'hèlix α és la més regular, a més de ser la més predominant, i la que té la seqüència més previsible.
Història miniatura|Representació esquemàtica d'una proteïna. Es mostren de color vermell les hèlixs alfa dextrogires, i de color verd els plans beta. Ja als anys trenta, l'anglès William Astbury detectà canvis dràstics en les fibres de difracció de raigs X sobretot en fibres de llana humida, que s'allargaven de manera considerable. Les dades deixaven entreveure que les molècules s'estructuraven en forma d'espiral, repetint-se l'estructura cada 5,1 ångströms (0,51nm).
Astbury, inicialment, cregué que les molècules s'ordenaven formant rínxols; però després d'investigar amb altres científics (entre els quals cal destacar el químic estatunidenc Maurice Huggins), proposà que: les molècules d'una proteïna no sotmesa a tibament tendeixen a formar una hèlix l'estructura de la qual anomenem forma- α; mentre que tibar-la provoca que aquesta proteïna es desenrotlli, quedant així en un estat estès, que anomenem forma- β.
Malgrat les incorreccions que Astbury va cometre a l'hora d'explicar els detalls de la seva tesi, avui en dia sabem que les idees bàsiques que proposà són correctes. De fet, defineixen d'una manera general les estructures secundàries de les proteïnes, que ell després anomenaria hèlix α i full β. Després, l'any 1951, científics com Linus Carl Pauling, Robert Corey i Herman Branson van investigar exhaustivament sobre l'estructura del full β. Aquests estudis varen servir per observar que les formes levogira (l'hèlix es cargola en sentit contrari a les agulles del rellotge) i dextrogira (es cargola en el sentit de les agulles del rellotge) són igualment comunes. El 1960, però, altres observacions de l'estructura cristal·lina de la mioglobina mostraren que la forma dextrogira predomina clarament sobre la levogira. L'austríac Hans Neurath va ser el primer a demostrar que els raonaments que Astbury havia donat a nivell aminoacídic per explicar la forma de l'hèlix α eren incorrectes. Per fer-ho, es va centrar en el fet que les explicacions de l'anglès involucraven que hi hagués xocs entre els àtoms de la molècula. Val a dir que tant les tesis de Neurath com les investigacions d'Astbury varen inspirar H. S. Taylor Maurice Huggins, Maurice Huggins i William Bragg juntament als seus col·laboradors per presentar models estructurals de la creatina que s'assemblaven força al model estructural de l'hèlix α.
Podem destacar dos avenços claus per poder desenvolupar models de l'hèlix α. En primer lloc, la determinació correcta de la geometria d'enllaç, gràcies a la cristal·lització d'aminoàcids i de pèptids, així com de la predicció de Pauling de la forma planar dels enllaços peptídics. I en segon lloc, el refús de la idea que hi hagi un nombre intrínsec de residus per cada hèlix α. El moment crucial arribà a la primavera de 1948, quan Pauling es refredà i va haver de quedar-se una setmana fent llit. Avorrit, començà a dibuixar una cadena polipeptídica en un full de paper. Després, va doblegar-lo en forma d'hèlix, tot tenint cura de mantenir plans els enllaços peptídics. Després de diversos intents, aconseguí fer un model en què es plasmaven físicament els ponts d'hidrogen de la molècula. Durant els següents mesos, Pauling va estar treballant amb els científics Corey i Branson per tal de confirmar la seva hipòtesi abans de publicar-la. Finalment, l'any 1954, Linus Pauling va ser guardonat amb el Premi Nobel de química “per les seves investigacions sobre la naturalesa de l'enllaç químic i les seves aplicacions per clarificar l'estructura de les substàncies complexes” (com ara les proteïnes), entre les que cal subratllar l'estructura de l'hèlix α.
Estructura miniatura|Vista d'ocell de la mateixa hèlix α mostrada abans. S'hi veuen quatre grups carboxil estan apuntant cap a l'espectador. Estan separats per uns 100° respecte del cercle, és a dir, 3,6 residus aminoacídics per cada gir de l'hèlix. Geometria i pont d'hidrogen Els aminoàcids de l'hèlix α estan organitzats en una estructura helicoidal dextrogira en què cada residu aminoacídic correspon amb un gir de 100° en l'hèlix. Per tant, en cada volta (360°) de l'estructura trobarem 3,6 residus. Al llarg de l'eix de l'hèlix, trobem un residu cada 1,5 Å (0,15nm). De vegades, podem trobar petites parts d'hèlix levogira donada la presència d'un alt contingut de l'aminoàcid glicina, el carboni del qual és aquiral. Aquestes parts, però, són biològicament desfavorables, ja que la resta d'aminoàcids estan en llur forma dextrogira. El grau de l'hèlix alfa (la distància vertical entre dues voltes consecutives de l'hèlix) val 5,4 Å (0,54 nm), resultat que surt de multiplicar 1,5 per 3,6. Cal donar importància al fet que els grups N-H facin un enllaç tipus pont d'hidrogen amb el grup C=0 de l'aminoàcid que es troba quatre posicions més enllà de la cadena (). Aquesta repetició en la formació dels ponts és la característica més destacable de l'hèlix α. La nomenclatura oficial internacional especifica les normes per definir l'hèlix α. La norma 6.2, per exemple, parla sobre la repetició de la torsió dels angles, que anomenem φ,ψ. La 6.3, per la seva banda, fa referència al nombre de ponts d'hidrogen que trobem a la cadena. Contrast de les vistes dels extrems de les hèlixs tipus α (quadrat) i 310 (triangular). Podem identificar l'hèlix α d'una proteïna mitjançant mètodes informàtics, com ara el DSSP (Dictionary of Protein Secondary Structure- Diccionari de l'Estructura Secundària de les Proteïnes).
miniatura|esquerra|Contrast de les vistes dels extrems de les hèlixs tipus α (quadrat) i 310 (triangular) Hi ha altres estructures secundàries de les proteïnes que tenen una estructura semblant a la de l'hèlix α, com ara l'hèlix 310, els pont d'hidrogen dels quals es formen segons ; o bé l'hèlix π, en què els enllaços d'hidrogen responen a un patró de tipus . També podem descriure l'hèlix α com a hèlix 3,613, ja que en l'espai i+4 s'afegeixen tres àtoms d'hidrogen més al llaç de la cadena que en l'estructura de l'hèlix 310, la qual és més estreta. Els subíndexs determinen el nombre d'àtoms (incloent-hi els hidrògens) que hi ha al llaç format pels ponts d'hidrogen.
miniatura|Diagrama de Ramachandran (eixos φ,ψ), que mostra punts que corresponen a residus d'una hèlix α. El cúmul dens de punts a sota i a l'esquerra del centre, al voltant del mínim d'energia per a la formació de la columna. Els residus de l'hèlix α acostumen a adoptar angles díedres (-60°, -45°) al voltant de la columna, tal com es mostra a la imatge de la dreta. En termes generals, es podria dir que l'angle díedre ψ d'un residu i l'angle díedre φ del residu següent sumen al voltant de -105°. En conseqüència, els angles díedres de l'hèlix α tendeixen a caure en una franja diagonal al diagrama de Ramachandran (del pendent 1), anant des de (-90°, -15°) fins a (-35°, -70°). Comparant-los, observem que la suma dels angles díedres per a una hèlix 310 val al voltant de -75°, mentre que per a una hèlix π val -130° aproximadament. La fórmula general que determina la rotació dels angles Ω per residu per a qualsevol hèlix polipeptídica amb isòmers trans ve donada per l'equació
L'hèlix α està empaquetada molt atapeïdament, de manera que amb prou feines hi ha espai lliure dins l'hèlix. A més, les cadenes aminoacídiques laterals queden a la part externa de l'hèlix α, mirant cap avall de la cadena (cap a l'extrem aminoterminal), tal com ho fan les fulles dels arbres perennes (efecte arbre de Nadal). Sovint, aquesta direccionalitat s'utilitza per determinar la direcció de la columna de la proteïna, mitjançant mapes de densitat electrònica de baixa resolució.
Diagrames bidimensionals per a representar les hèlixs alfa Principalment, existeixen dos diagrames dimensionals per representar les hèlixs α. El primer s'anomena “roda helicoide”, i l'altre es coneix com a “diagrama de wenxiang”. Aquest últim rep aquest nom perquè s'assembla a un encens de forma espiral que s'utilitza a la Xina per repel·lir els mosquits. En xinès s'escriu 蚊香. Al diagrama de wenxiang, cada residu aminoacídic està representat per un cercle amb una lletra per tal d'indicar el seu codi característic individual. Així, a un residu hidròfob se'l marcarà amb un cercle ple i un símbol de color blanc. Per contra, un residu hidròfil es denotarà amb un cercle obert i un símbol de color negre. En tant que representació bidimensional, el diagrama de wenxiang té els següents trets: És capaç de mostrar la localització relativa dels aminoàcids de l'hèlix α sense tenir en compte com n'és de llarg. És capaç d'indicar-nos la direcció de l'hèlix α Ens dona informació sobre cadascun dels residus aminoacídics que constitueixen l'hèlix α.
Amb aquests trets, el diagrama de wenxiang ens proporciona un dibuix 2D fàcilment visible que ens caracteritza la disposició dels residus hidròfobs i hidròfils en la cadena de l'hèlix α. És, a més, particularment útil a l'hora d'estudiar les hèlixs amfipàtiques en moltes proteïnes.
Estabilitat El nombre de residus de les hèlixs observades a les proteïnes oscil·la entre quatre i quaranta, tot i que una hèlix típica acostuma a tenir-ne deu (unes tres voltes). Normalment, els polipèptids més curts no exposen gaires hèlixs α quan es troben en dissolució. Això és perquè el cost entròpic associat al plegament de la cadena polipeptídica no es veu prou compensat per les interaccions d'estabilització que pateix. En general, es considera que els ponts d'hidrogen que trobem a l'hèlix α són lleugerament més febles que els que hi ha al pla β. Els primers, a més, de seguida són atacats per les molècules d'aigua que hi ha al seu entorn. Malgrat això, en ambients més hidrofòbics com ara el plasma sanguini, o en presència d'un cosolvent com el trifluoroetanol (TFE), o bé quan es troba aïllat de solvents en fase gasosa, els oligopèptids adopten ràpidament una estructura estable de l'hèlix α. Un altre punt que caldria destacar és que als pèptids se'ls poden incorporar reticulacions (crosslinks en anglès) per tal d'estabilitzar conformacionalment els plegaments de l'hèlix. Aquestes reticulacions estabilitzen l'hèlix mitjançant una desestabilització entròpica de l'estat de no plegament, o bé a través de l'eliminació entàlpicament dels plegaments estables (que anomenem esquer) que competeixen amb el conjunt de l'hèlix. miniatura|Hèlix alfa en una ultraresolució de contorn de densitat electrònica, amb els àtoms d'oxigen en vermell, els de nitrogen en blau i els ponts d'hidrogen amb línies de punts verdes.
Determinació experimental La cristal·lografia de raigs X amb resolució atòmica és, sense cap dubte, el mètode experimental que ens permet evidenciar l'estructura d'hèlix alfa amb més claredat. Això es deu al fet que l'estructura helicoide de l'hèlix alfa està definida essencialment pels seus ponts d'hidrogen i la seva conformació bàsica. És evident que els oxígens dels carbonils de la base estan orientats cap avall, cap al carboni terminal, però que s'obren lleugerament. D'altra banda, els ponts d'hidrogen són gairebé paral·lels a l'eix de l'hèlix.