[论文解读] Free-Energy Transduction in Chemical Reaction Networks: from Enzymes to Metabolism

Artur Wachtel, Riccardo Rao+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics参考文献 32被引用 36

一句话总结

本文提出了一种适用于任意开放化学反应网络（CRNs）的自由能转化的一般热力学框架，利用化学计量矩阵和化学稳态物种来识别基本热力学力与流。研究表明，糖酵解和三羧酸循环等代谢途径作为热力学机器运行，其效率可通过将高势能供体的自由能转化为ATP及其他做功过程来量化。

ABSTRACT

We provide a rigorous definition of free-energy transduction and its efficiency in arbitrary -- linear or nonlinear -- open chemical reaction networks (CRNs) operating at steady state. Our method is based on the knowledge of the stoichiometric matrix and of the chemostatted species (i.e. the species maintained at constant concentration by the environment) to identify the fundamental currents and forces contributing to the entropy production. Transduction occurs when the current of a stoichiometrically balanced process is driven against its spontaneous direction (set by its force) thanks to other processes flowing along their spontaneous direction. In these regimes, open CRNs operate as thermodynamic machines. After exemplifying these general ideas using toy models, we analyze central energy metabolism. We relate the fundamental currents to metabolic pathways and discuss the efficiency with which they are able to transduce free energy.

研究动机与目标

• 开发一种严格且通用的框架，用于描述开放化学反应网络中超越基元反应的自由能转化。
• 克服传统热力学及现有模型的局限性，这些模型通常假设动力学为线性或基元步骤。
• 利用网络拓扑结构，在非线性、非基元的CRNs中识别基本热力学力与流。
• 将该框架应用于核心代谢途径，并量化其能量转化效率。
• 建立一种系统化方法，用于分析复杂生物系统（如糖酵解、TCA循环和电子传递链）中的能量转换。

提出的方法

• 使用化学计量矩阵定义每种反应中物种的净生成量。
• 识别化学稳态物种（浓度保持恒定）以定义环境库。
• 从反应前后化学势差中推导出基本热力学力。
• 将基本流定义为化学计量平衡过程的净流量。
• 应用网络理论方法（例如生成树、环基底）将通量分解为独立的热力学循环。
• 通过力与流的乘积计算熵产生，从而实现效率的量化。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在任意非线性开放CRNs中严格定义自由能转化？
• RQ2 在这些网络中，决定能量耗散与转化的基本热力学力与流是什么？
• RQ3 糖酵解和TCA循环等代谢途径如何作为热力学机器运行？
• RQ4 中心代谢中自由能转化的效率是多少，其与底层网络拓扑有何关联？
• RQ5 该框架是否可系统性地应用于任意CRN，包括复杂的代谢网络？

主要发现

• 该框架仅通过化学计量矩阵和化学稳态物种，成功识别出非线性、非基元CRNs中的基本热力学力与流。
• 研究表明，糖酵解、TCA循环和电子传递链等代谢途径均作为由自由能转化驱动的热力学机器运行。
• 该理论通过将ATP合成与来自NADH和丙酮酸等高势能供体的驱动力联系起来，量化了能量转化效率。
• 在乙醇发酵中，涌现的循环将来自丙酮酸的自由能转化为乙醇和NAD+，其净平衡与热力学约束一致。
• 对于细胞呼吸，完整网络循环（糖酵解 + TCA + ETC）被证明维持了一个连贯的能量转化路径，能量流从葡萄糖流向ATP和CO2。
• 该方法能够将复杂代谢网络系统性地分解为热力学独立的循环，从而实现精确的效率分析。