具有催化反应的稳态生长细胞的熵产生

细胞通常将外部营养资源转化为支持代谢和生长的能量。理解这种转化的热力学效率对于确定细胞生长的普遍特征至关重要。本文利用一个简单的原生细胞模型，该模型通过催化反应动力学从营养物质合成必要的酶和膜组分，基于化学动力学速率方程和线性非平衡热力学，解析并数值计算了单位细胞体积生长的熵产生。研究发现，单位细胞生长的最小熵产生是在非零的营养物质摄取速率下达到的，而不是像标准卡诺热机那样在准静态极限下达到。这种差异的出现是因为由酶介导的平衡过程仅存在于通过酶和膜合成而生长的细胞内。具有通过催化反应网络合成的多种化学组分的原生细胞模型也证实了最佳营养物质摄取的存在。本文还讨论了所识别的最佳摄取与细胞生长最佳产量之间可能的相关性。