[论文解读] Biomolecular System Energetics

P.J. Gawthrop, Edmund J. Crampin|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2018

Mitochondrial Function and Pathology参考文献 24被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于键图的建模框架，用于分析生物分子系统的能量学，以糖酵解为案例研究。通过应用法拉第等效电势和反应驱动力，量化了能量转换效率，揭示在标准条件下其名义泵送效率为69.1%，且对葡萄糖浓度和流速敏感。

ABSTRACT

Efficient energy transduction is one driver of evolution; and thus understanding biomolecular energy transduction is crucial to understanding living organisms. As an energy-orientated modelling methodology, bond graphs provide a useful approach to describing and modelling the efficiency of living systems. This paper gives some new results on the efficiency of metabolism based on bond graph models of the key metabolic processes: glycolysis.

研究动机与目标

• 开发一种基于热力学原理、以能量为基础的生物分子系统建模框架，采用键图方法。
• 量化糖酵解这一关键代谢途径中的能量转换效率。
• 将键图方法扩展至包含法拉第等效电势和摩尔流量，以适用于生化系统。
• 研究代谢效率如何随底物浓度和反应流速变化。
• 为分析线粒体代谢（包括三羧酸循环和电子传递链）提供基础。

提出的方法

• 使用键图元件建模化学反应：C（电容）表示化学物质，R（电阻）表示由化学势差驱动的反应。
• 将摩尔化学势（μ）转换为法拉第等效电势（φ = Fμ，单位为伏特），将摩尔流量（v）转换为法拉第等效流量（f = v/F，单位为安培）。
• 定义反应驱动力电势（Φ）为反应物与产物之间法拉第等效电势的差值。
• 计算驱动力功率（P₀ = Φ₀f）和泵送功率（P_pump = Φ_pumpf），以推导泵送效率（η = P_pump / P₀）。
• 使用质量作用动力学和数值模拟计算效率对流量的依赖关系，并对非理想行为进行修正。
• 利用Park等人[22]提供的实验热力学数据对糖酵解参数进行结果验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于键图框架，糖酵解中的能量转换热力学效率是多少？
• RQ2 糖酵解的泵送效率如何随葡萄糖浓度和反应流速变化？
• RQ3 法拉第等效电势和流量能否为生化系统提供一致的能量基建模方法？
• RQ4 在标准条件下，糖酵解中的驱动力与泵送电势如何比较？
• RQ5 糖酵解的效率在多大程度上取决于反应驱动力与耗能过程之间的平衡？

主要发现

• 在标准条件下，糖酵解的名义泵送效率为69.1%，即泵送功率与驱动力功率之比。
• 当总反应电势（Φ_all）趋近于零时，效率趋近100%，此时驱动力电势等于泵送电势。
• 在低葡萄糖浓度下，效率显著下降，原因是驱动力电势（Φ₀）相对于泵送电势（Φ_pump）减小。
• 模拟结果表明，效率在宽泛的流速范围内保持在约70%，但在极低流速时急剧下降。
• 该模型预测效率对葡萄糖的归一化电势（φ_GL C）高度敏感，其非线性关系由公式 η = Φ_pump / (Φ₀ + φ̃_GLC) 描述。
• 该框架成功整合了实验热力学数据，并提供了一种可扩展的方法，用于分析线粒体代谢，包括三羧酸循环和电子传递链。