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蛋白质是生命中最重要的分子之一,几乎在所有的生命过程中都发挥着重要的功能。大部分蛋白质分子都具有较稳定的结构,可以抵御外界一定的负荷:例如与肌肉弹性相关的肌联蛋白,细胞外基质中维持细胞形状的纤连蛋白等,都具有重要的结构功能。单分子力谱（Singlemolecule forcespectroscopy,SMFS）是一种重要的力学操纵和测量工具,可以在水溶液中测量单个蛋白质分子的折叠稳定性。因为其优越的力学和长度精度,以原子力显微镜（Atomic force microscopy,AFM）为基础的单分子力谱被广泛应用到蛋白质结构稳定性的测量中。目前发现具有β-折叠的蛋白一般具有较强的机械稳定性,其蛋白解折叠力在数百皮牛范围。相反,以α-螺旋为主要结构的蛋白质分子,例如红细胞骨架中的血影蛋白（Spectrin）和联结细胞骨架蛋白网络的锚蛋白（Ankyrin）等,它们的机械稳定性都非常低,通常在AFM的检测限15 pN附近,甚至低于检测限。单分子力谱和分子动力学模拟研究都表明,“力钳”结构使得β-折叠蛋白在面对剪切力时表现出较强的机械稳定性。我们希望能找到机械稳定性较强的α-螺旋蛋白,用于设计具有稳定性和特殊性能的材料。蛋白质的折叠和稳定性主要依靠局部相互作用:如静电相互作用、氢键、疏水相互作用等。例如将稳定性较高的弹性蛋白GB1中疏水核心的关键氨基酸突变后,该蛋白质力学稳定性显著降低。然而蛋白结构域所处环境的影响也不容忽视。如蛋白Barstar和Top7具有相似的拓扑结构,但是Top7受力的β-折叠片周围还有其他的β-折叠,而Barstar则没有。与之对应,Barstar的力学稳定性远小于Top7。因此,我们寻找具有较强的内部相互作用以及蛋白质结构域紧密堆积的全α-螺旋蛋白,希望这样的结构能够赋予其中的α-螺旋较强的机械稳定性。人源白介素家族（Interleukin,IL）中的蛋白大部分都具有α-螺旋结构,且其中四个α-螺旋形成四螺旋束。该螺旋束的拓扑结构特殊,形成细胞因子独有的上-上-下-下的反平行结构,螺旋间相互交错缠绕,堆积紧密。在螺旋束的中心形成致密的疏水核,存在较强的疏水相互作用。我们推测其可能具有较强的稳定性。根据四螺旋束的大小、排布方式的区别可将α-螺旋白介素大致分为短链家族、长链家族和类干扰素家族这三类。我们从中挑选具有代表性的人源白介素进行基于原子力显微镜的单分子力谱实验,分别测量它们的力学稳定性并研究其机制。第二章中我们首先研究了人源白细胞介素-10（Interleukin-10,IL-10）中α-螺旋的力学稳定性。IL-10属于类干扰素家族,它的单体由6个α-螺旋构成（A-F螺旋）,在溶液中能通过结构域交换形成非共价连接的二聚体。即一个单体的A-D螺旋与另一个单体的E’和F’螺旋紧密结合形成致密的疏水核心,该疏水核心约由该蛋白86%的疏水氨基酸构成。我们推测该疏水核心以及蛋白螺旋间的交缠能够增强其α-螺旋的稳定性。我们将针尖基板修饰的体系、蛋白质连接酶OaAEP1酶以及一种强生物相互作用相结合,设计了自上而下的单分子力谱实验方案。AFM测量结果显示IL-10中的α-螺旋的解折叠力为110 pN,比普通的单个α-螺旋蛋白高出近一个数量级,说明IL-10中的相互作用确实增强了 α-螺旋的力学稳定性。同时我们也进行了多个速度下的单分子力谱实验,通过加载速率与力的关系得到了 IL-10解折叠过程的动力学参数。第三章中我们研究了人源白细胞介素-6（IL-6）中α-螺旋的机械强度。IL-6是长链家族的典型白介素,它与IL-10具有不同的氨基酸序列、结构、受体以及功能,并且为一个蛋白单体。这两者的相似之处主要在于都具有螺旋束形成的疏水核心以及α-螺旋间的紧密堆积。单分子力谱的实验结果显示IL-6的α-螺旋具有与IL-10中相似的力学稳定性,蛋白解折叠力都为100 pN左右。证明了蛋白质的疏水核心和螺旋链交缠是稳定其中α-螺旋的主要原因。同样我们进行了不同速度的单分子力谱实验,研究IL-6解折叠过程的动力学参数。为了验证前两种白介素蛋白测量得出的结论是否可以推广至整个白介素家族,第四章中我们选择了白介素短链家族的代表人源白细胞介素-2（IL-2）作为研究对象并将其中第125位半胱氨酸突变为丙氨酸。单分子力谱实验结果与我们的预期吻合,IL-2-C125A的α-螺旋同样具有较高的力学稳定性。综合上述的实验结果,我们发现三种代表性的α-螺旋白介素蛋白:IL-10、IL-6以及IL-2-C125A中的α-螺旋都具有较高的力学稳定性。蛋白的解折叠力约为100 pN,比普通的单个α-螺旋高出近一个数量级,也是α-螺旋束的3-4倍。我们推测是由于蛋白内部致密的疏水核心以及交错缠绕的链导致其中的α-螺旋具有极高的机械性能。由于白介素家族的α-螺旋蛋白都具有疏水核心且都存在链缠绕的“加固”作用,因此我们认为这一结论可以推广到所有α-螺旋白介素中。同时,这种超稳定的α-螺旋为我们设计具有特殊功能的材料打开了新的思路。