某種蛋白質可用尿素（urea）將其變性（denature），且將尿素移除後會自發性地折疊回其具有活性的三級結構。關於下列熱力學對於該蛋白質再折疊（protein refolding）的描述，何者錯誤？

本題觀念：

本題考查的是蛋白質折疊（Protein Folding）的熱力學原理，特別是基於安芬森實驗（Anfinsen's experiment）的自發性折疊過程。核心觀念涉及吉布斯自由能（Gibbs Free Energy, $\Delta G$）、焓（Enthalpy, $\Delta H$）、熵（Entropy, $\Delta S$）以及**疏水效應（Hydrophobic Effect）**在折疊中的驅動角色。

選項分析

• A. 蛋白質本身亂度（entropy）一定減少 (正確)

  • 分析：蛋白質從變性狀態（Denatured state, 隨機捲曲 random coil）折疊回三級結構（Native state, 高度有序），其構象數目大幅減少，有序度增加。因此，蛋白質分子本身的熵（$\Delta S_{protein}$）是減少的（$\Delta S < 0$）。這是正確的描述。

• B. 過程一定是放熱反應 (錯誤，為本題答案)

  • 分析：雖然大多數蛋白質折疊過程在室溫下測得的淨焓變化（$\Delta H$）通常是負值（放熱），主要來自於蛋白質內部氫鍵與凡得瓦力的形成，但這並非絕對的熱力學定律。
  • 理由 1（熱力學定義）：自發反應的定義是 $\Delta G < 0$，而非 $\Delta H < 0$。根據公式 $\Delta G = \Delta H - T\Delta S$，如果 $\Delta S_{system}$（考慮溶劑效應後的系統熵）增加得足夠多，即使是吸熱反應（$\Delta H > 0$）也可能是自發的。
  • 理由 2（疏水效應）：蛋白質折疊的主要驅動力是疏水效應。這是一個**熵驅動（Entropy-driven）**的過程。當疏水基團埋入蛋白內部時，原本圍繞在疏水基團周圍有序排列的水分子（clathrate structures）被釋放，導致水分子的熵大幅增加（$\Delta S_{water} > 0$）。雖然將非極性基團從水中移除的焓變分量可能有吸熱的傾向（取決於溫度），但巨大的熵增益驅動了反應。因此，斷言過程「一定」是放熱反應在熱力學上是不精確的，且忽略了熵驅動的可能性。

• C. 反應過程的自由能（free energy）一定減少 (正確)

  • 分析：題目明確指出蛋白質「自發性地折疊」（spontaneously refold）。在定溫定壓下，任何自發過程的吉布斯自由能變化（$\Delta G$）必然小於零（$\Delta G < 0$）。這是熱力學第二定律對自發過程的定義。

• D. 總亂度（蛋白質本身和環境）一定增加 (正確)

  • 分析：這也是熱力學第二定律的直接陳述：對於任何自發過程，宇宙的總熵（系統 + 環境，$\Delta S_{universe}$）必然增加（$\Delta S_{total} > 0$）。在蛋白質折疊中，雖然蛋白質本身的熵減少（$\Delta S_{protein} < 0$），但環境（主要是水分子）的熵增加幅度更大（$\Delta S_{water} \gg 0$），導致總熵增加。

答案解析

本題要求選出錯誤的敘述。選項 A、C、D 皆為基於熱力學定律（自發性定義、第二定律）的必然結果。唯獨選項 B 「一定是放熱反應」過於武斷且非絕對。雖然許多折疊過程伴隨熱量釋放，但折疊的本質是由疏水效應導致的熵增所驅動的（Entropy-driven），並非單純由焓減（放熱）驅動，且理論上自發過程不必然是放熱的。

核心知識點

考生應掌握以下蛋白質折疊的熱力學參數變化：

1. $\Delta G < 0$：自發過程，自由能降低。
2. $\Delta S_{protein} < 0$：蛋白質由亂變序，構象熵減少（不利於折疊）。
3. $\Delta S_{solvent} > 0$：**疏水效應（Hydrophobic Effect）**導致水分子去結構化（釋放有序水籠），熵增加。這是折疊的主要驅動力。
4. $\Delta S_{total} > 0$：總熵增加，符合熱力學第二定律。
5. $\Delta H$：通常為負（放熱，因內部鍵結形成），但非自發性的唯一決定因素。

參考資料

1. Thermodynamics of Protein Folding, StackExchange/Biochemistry Textbooks. (蛋白質折疊主要由水分子熵增驅動，而非僅由焓變驅動)
2. Anfinsen's Dogma, NCBI Bookshelf/Wikipedia. (蛋白質一級結構決定三級結構，折疊至自由能最低點)
3. Hydrophobic Effect, Biochemistry (Lehninger/Stryer). (疏水作用是熵驅動過程)