对于20种天然氨基酸立体结构的研究，从目前已经发表的文献来看，大部分都是针对某一个或者某些氨基酸的，没有系统地提出一些共性的或者特别的结构特征，而且对于氨基酸负离子和正离子研究得更是不多，对于氨基酸离子中的氢键结构也没有统一认识。本文就是使用从头计算法优化了20种天然氨基酸正、负、偶极离子，系统地研究了其中所存在的氢键结构以及侧链对氢键结构的影响。计算结果表明： 1) 氨基酸正离子中，α-NH₂上的氮原子可以和羧基氧原子形成氢键，通过N1—H2…O3氢键的生成，原子N1、H2、O3、C4、C5形成了五元环。正离子的侧链除苏氨酸和丝氨酸外，其它不对N1—H2…O3氢键构成影响。而苏氨酸和丝氨酸的侧链羟基氧原子和—NH₂的氮原子形成了新的N1-H8…O7氢键。 2) 氨基酸负离子中，α-NH₂上的氮原子也和羧基氧原子形成N1—H2…O3氢键。氨基酸负离子侧链对N1—H2…O3影响较大。根据其影响可以把氨基酸负离子分为三类：侧链没有氢键生成的：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、精氨酸、半胱氨酸、组氨酸、赖氨酸、丝氨酸、苏氨酸、脯氨酸，侧链有C—H…O氢键生成的，有苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、谷氨酸、谷酰胺，侧链有O—H…O或者N—H…O生成的有门冬氨酸和门冬酰胺。 3) 所有氨基酸偶极离子中，全部存在弱的O3—H2…N1分子内氢键，侧链原子基本不对该类氢键构成影响。 4) 从正离子，负离子到偶极离子，氢键强度逐渐减小；侧链原子对氢键的影响逐渐减小。 在优化结构的基础上，进行了振动频率分析，找到了与氢键有关联的红外振动模式，验证了结果的正确性。通过对氨基酸偶极离子的核磁共振计算，比较了从头计算法和密度泛函两种方法的优劣。