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* update kinetic formalism
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism.Rnw
1 \documentclass[english,12pt]{article}
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20 \newenvironment{narrow}[2]{%
21   \begin{list}{}{%
22       \setlength{\topsep}{0pt}%
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24       \setlength{\rightmargin}{#2}%
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32   }%
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54 \pagestyle{fancy}
55 \author{Don Armstrong}
56 \title{OOL Kinetic Formalisms}
57 %\date{}
58 \onehalfspacing
59 \begin{document}
60 %\maketitle
61
62 <<results=hide,echo=FALSE>>=
63 require(lattice)
64 require(grid)
65 # R in cal / mol K
66 to.kcal <- function(k,temp=300) {
67   gasconst <- 1.985
68   return(-gasconst*temp*log(k)/1000)
69 }
70
71
72 \section{State Equation}
73 % double check this with the bits in the paper
74
75 Given a base forward kinetic parameter for the $i$th specie $k_{fi}$
76 (which is dependent on lipid type, that is PC, PE, PS, etc.), an
77 adjustment parameter $k_{fi\mathrm{adj}}$ based on the vesicle and the
78 specific specie (length, unsaturation, etc.) (see~\fref{eq:kf_adj}),
79 the molar concentration of monomer of the $i$th specie
80 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$, the surface area of the vesicle
81 $S_\mathrm{ves}$, the base backwards kinetic parameter for the $i$th
82 specie $k_{bi}$ which is also dependent on lipid type, its adjustment
83 parameter $k_{bi\mathrm{adj}}$ (see~\fref{eq:kb_adj}), and the molar
84 concentration of the $i$th specie in the vesicle
85 $\left[C_{i_\mathrm{ves}}\right]$, the change in concentration of the
86 $i$th specie in the vesicle per change in time $\frac{d
87   C_{i_\mathrm{ves}}}{dt}$ can be calculated:
88
89 \begin{equation}
90   \frac{d C_{i_\mathrm{ves}}}{dt} = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves} -
91   k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}
92   \label{eq:state}
93 \end{equation}
94
95 For $k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$,
96 $k_{fi}$ has units of $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$,
97 $k_{fi\mathrm{adj}}$ and $k_{bi\mathrm{adj}}$ are unitless,
98 concentration is in units of $\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}}$, surface
99 area is in units of $\mathrm{m}^2$, $k_{bi}$ has units of
100 $\frac{1}{\mathrm{s}}$ and $C_{i_\mathrm{ves}}$ has units of
101 $\mathrm{n}$, Thus, we have
102
103 \begin{equation}
104   \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} = \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}} \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}} \mathrm{m}^2 \frac{1000\mathrm{L}}{\mathrm{m}^3} - 
105   \frac{1}{\mathrm{s}} \mathrm{n}
106   =
107   \frac{\mathrm{m^3}}{\mathrm{s}} \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}} \frac{1000\mathrm{L}}{\mathrm{m}^3} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}=
108   \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} = 1000 \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}
109   \label{eq:state_units}
110 \end{equation}
111
112 The 1000 isn't in \fref{eq:state} above, because it is unit-dependent.
113
114 \subsection{Forward adjustments ($k_{fi\mathrm{adj}}$)}
115 \label{sec:forward_adj}
116
117 The forward rate constant adjustment, $k_{fi\mathrm{adj}}$ takes into
118 account unsaturation ($un_f$), charge ($ch_f$), curvature ($cu_f$),
119 length ($l_f$), and complex formation ($CF1_f$), each of which are
120 modified depending on the specific specie and the vesicle into which
121 the specie is entering.
122
123 \begin{equation}
124   k_{fi\mathrm{adj}} = un_f \cdot ch_f \cdot cu_f \cdot l_f \cdot CF1_f
125   \label{eq:kf_adj}
126 \end{equation}
127
128 \newpage
129 \subsubsection{Unsaturation Forward}
130
131 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
132 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
133 unsaturated and saturated lipids forming herterogeneous domains. Void
134 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
135 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
136 the membrane is greater when the standard deviation of the
137 unsaturation is larger. Assuming that an increase in width of the
138 distribution linearly decreases the free energy of activation, the
139 $un_f$ parameter must follow
140 $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}$ where $a > 1$, so a
141 convenient starting base for $a$ is $2$:
142
143 \begin{equation}
144   un_f = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}
145   \label{eq:unsaturation_forward}
146 \end{equation}
147
148 The most common $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)$ is around
149 $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
150 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^1.5))}
151 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
152
153 It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
154 affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
155 not include a term for it in this formalism.
156
157
158 \setkeys{Gin}{width=3.2in}
159 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=5,height=5>>=
160 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
161       main="Unsaturation Forward",
162       xlab="Standard Deviation of Unsaturation of Vesicle",
163       ylab="Unsaturation Forward Adjustment")
164
165 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=5,height=5>>=
166 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
167       main="Unsaturation forward",
168       xlab="Standard Deviation of Unsaturation of Vesicle",
169       ylab="Unsaturation Forward (kcal/mol)")
170
171
172
173 \newpage
174 \subsubsection{Charge Forward}
175
176 A charged lipid such as PS approaching a vesicle with an average
177 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
178 different signs will experience attraction, the degree of which is
179 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
180 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
181 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
182 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$, where
183 $\left<ch_v\right>$ is the average charge of the vesicle, and $ch_m$
184 is the charge of the monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$
185 is 0, the adjustment parameter is 1 (no change), whereas it decreases
186 if both are positive or negative, as the product of two real numbers
187 with the same sign is always positive. A convenient base for $a$ is
188 60, resulting in the following equation:
189
190
191 \begin{equation}
192   ch_f = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
193   \label{eq:charge_forward}
194 \end{equation}
195
196 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads to
197 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
198 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
199 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
200
201 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
202 x <- seq(-1,0,length.out=20)
203 y <- seq(-1,0,length.out=20)
204 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
205 grid$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
206 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
207                 drape=TRUE,
208                 scales=list(arrows=FALSE),
209                 main="Charge Forward",
210                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
211                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
212                 zlab=list("Charge Forward",rot=93)))
213 rm(x,y,grid)
214
215 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
216 x <- seq(-1,0,length.out=20)
217 y <- seq(-1,0,length.out=20)
218 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
219 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
220 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
221                 drape=TRUE,
222                 scales=list(arrows=FALSE),
223                 main="Charge Forward (kcal/mol)",
224                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
225                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
226                 zlab=list("Charge Forward (kcal/mol)",rot=93)))
227 rm(x,y,grid)
228
229
230
231 \newpage
232 \subsubsection{Curvature Forward}
233
234 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
235 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
236 curvature), or planar sheets (zero curvature). In this formalism,
237 curvature is measured as the ratio of the size of the head to that of
238 the base, so negative curvature is bounded by $(0,1)$, zero curvature
239 is 1, and positive curvature is bounded by $(1,\infty)$. The curvature
240 can be transformed into the typical postive/negative mapping using
241 $\log$, which has the additional property of making the range of
242 positive and negative curvature equal, and distributed about 0.
243
244 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
245 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
246 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
247 insertion into the vesicle. However, a species with curvature $e^{-1}$
248 will cancel out a species with curvature $e$, so we have to log
249 transform (turning these into -1 and 1), then take the absolute value
250 (1 and 1), and finally measure the width of the distribution. Thus, by
251 using the log transform to make the range of the lipid curvature equal
252 between positive and negative, and taking the average to cancel out
253 exactly mismatched curvatures, we come to an equation with the shape
254 $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$. A convenient base for $a$
255 is $10$, yielding:
256
257
258 \begin{equation}
259  % cu_f = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
260   cu_f = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{vesicle} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
261   \label{eq:curvature_forward}
262 \end{equation}
263
264 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
265 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
266 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
267 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
268 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
269 relatively matched curvatures in our environment.
270
271 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
272 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
273 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
274 y                      sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
275                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
276                       mean(log(c(1,0.33))),
277                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
278 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
279 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
280           drape=TRUE,
281           scales=list(arrows=FALSE),
282           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
283           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
284           zlab=list("Vesicle Curvature Forward",rot=93)))
285 rm(grid)
286
287 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
288 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
289                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
290                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
291                       mean(log(c(1,0.33))),
292                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
293 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
294 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
295           drape=TRUE,
296           scales=list(arrows=FALSE),
297           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
298           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
299           zlab=list("Vesicle Curvature Forward (kcal/mol)",rot=93)))
300 rm(grid)
301
302
303 \newpage
304 \subsubsection{Length Forward}
305
306 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
307 are made up of components of widely different lengths. Thus, when the
308 width of the distribution of lengths is larger, the forward rate
309 should be greater as well, leading us to an equation of the form
310 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}$, where $\mathrm{stdev}
311 l_\mathrm{ves}$ is the standard deviation of the length of the
312 components of the vesicle, which has a maximum possible value of 8 and
313 a minimum of 0 in this set of experiments. A convenient base for $x$
314 is 2, leading to:
315
316 \begin{equation}
317   l_f = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}
318   \label{eq:length_forward}
319 \end{equation}
320
321 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}$ is around $3.4$, which leads to
322 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
323 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
324 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
325
326 While it could be argued that increased length of the monomer could
327 affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
328 it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
329 bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
330 insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
331 degree, so we do not take it into account in this formalism.
332
333 \fixme{Incorporate McLean84 here}
334 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
335 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
336 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
337 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
338 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
339 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
340 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
341 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
342 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
343
344 From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
345 decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
346 chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
347   rz 8/17/2010}.
348
349 From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
350 with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
351 (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
352   formula; rz 8/17/2010}.
353
354 From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
355 chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
356
357
358 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=5>>=
359 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
360       main="Length forward",
361       xlab="Standard Deviation of Length of Vesicle",
362       ylab="Length Forward Adjustment")
363
364 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=5>>=
365 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
366       main="Length forward",
367       xlab="Standard Deviation of Length of Vesicle",
368       ylab="Length Forward Adjustment (kcal/mol)")
369
370
371
372 \subsubsection{Complex Formation}
373 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
374 rate in the current formalism.
375
376 \begin{equation}
377   CF1_f=1
378   \label{eq:complex_formation_forward}
379 \end{equation}
380
381 \subsection{Backward adjustments ($k_{bi\mathrm{adj}}$)}
382
383 Just as the forward rate constant adjustment $k_{fi\mathrm{adj}}$
384 does, the backwards rate constant adjustment $k_{bi\mathrm{adj}}$
385 takes into account unsaturation ($un_b$), charge ($ch_b$), curvature
386 ($cu_b$), length ($l_b$), and complex formation ($CF1_b$), each of
387 which are modified depending on the specific specie and the vesicle
388 into which the specie is entering:
389
390
391 \begin{equation}
392   k_{bi\mathrm{adj}} = un_b \cdot ch_b \cdot cu_b \cdot l_b \cdot CF1_b
393   \label{eq:kb_adj}
394 \end{equation}
395
396 \subsubsection{Unsaturation Backward}
397
398 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
399 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
400 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
401 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
402 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
403 with some unsaturation is more favorable for lipids with more
404 unsaturation than the equivalent amount of less unsatuturation, so the
405 difference in energy between unsaturation is not linear. Therefore, an
406 equation with the shape
407 $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{ves}\right> }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$
408 where $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is the average unsaturation of
409 the vesicle, and $un_\mathrm{monomer}$ is the average unsaturation. In
410 this equation, as the average unsaturation of the vesicle is larger,
411
412 \begin{equation}
413   un_b = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
414   \label{eq:unsaturation_backward}
415 \end{equation}
416
417 The most common $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is around $1.7$, which leads to
418 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
419 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
420 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
421 to
422 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
423 for monomers with 4 unsaturations.
424
425
426 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
427 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
428                     y=seq(0,4,length.out=20))
429 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
430 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
431           drape=TRUE,
432           scales=list(arrows=FALSE),
433           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
434           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
435           zlab=list("Unsaturation Backward",rot=93)))
436 rm(grid)
437
438 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
439 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
440                     y=seq(0,4,length.out=20))
441 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
442 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
443           drape=TRUE,
444           scales=list(arrows=FALSE),
445           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
446           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
447           zlab=list("Unsaturation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
448 rm(grid)
449
450
451
452
453 \newpage
454 \subsubsection{Charge Backwards}
455 As in the case of monomers entering a vesicle, monomers leaving a
456 vesicle leave faster if their charge has the same sign as the average
457 charge vesicle. An equation of the form $ch_b = a^{\left<ch_v\right>
458   ch_m}$ is then appropriate, and using a base of $a=20$ yields:
459
460 \begin{equation}
461   ch_b = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
462   \label{eq:charge_backwards}
463 \end{equation}
464
465 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
466 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
467 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
468 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
469 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
470 for monomers with charge $0$.
471
472
473 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
474 x <- seq(-1,0,length.out=20)
475 y <- seq(-1,0,length.out=20)
476 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
477 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
478 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
479           drape=TRUE,
480           scales=list(arrows=FALSE),
481           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
482           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
483           zlab=list("Charge Backwards",rot=93)))
484 rm(x,y,grid)
485
486 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
487 x <- seq(-1,0,length.out=20)
488 y <- seq(-1,0,length.out=20)
489 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
490 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
491 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
492           drape=TRUE,
493           scales=list(arrows=FALSE),
494           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
495           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
496           zlab=list("Charge Backwards (kcal/mol)",rot=93)))
497 rm(x,y,grid)
498
499
500 \newpage
501 \subsubsection{Curvature Backwards}
502
503 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
504 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
505 the difference is 0, $cu_f$ needs to be one. To map negative and
506 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
507 Increasing mismatches in curvature increase the rate of efflux, but
508 asymptotically.  An equation which satisfies this critera has the
509 form $cu_f = a^{1-\left(b\left( \left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right>
510       -\log cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An
511 alternative form would use the aboslute value of the difference,
512 however, this yields a cusp and sharp increase about the curvature
513 equilibrium, which is decidedly non-elegant. We have chosen bases of
514 $a=7$ and $b=20$.
515
516 \begin{equation}
517   cu_b = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
518   \label{eq:curvature_backwards}
519 \end{equation}
520
521 The most common $\left<\log cu_\mathrm{ves}\right>$ is around $-0.013$, which leads to
522 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
523 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
524 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8
525 to
526 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
527 for monomers with curvature 1.3 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 1.
528
529
530 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
531 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
532                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
533 grid$z <- 7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1))
534 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
535           drape=TRUE,
536           scales=list(arrows=FALSE),
537           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
538           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
539           zlab=list("Curvature Backward",rot=93)))
540 rm(grid)
541
542 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
543 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
544                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
545 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1)))
546 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
547           drape=TRUE,
548           scales=list(arrows=FALSE),
549           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
550           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
551           zlab=list("Curvature Backward (kcal/mol)",rot=93)))
552 rm(grid)
553
554
555 \newpage
556 \subsubsection{Length Backwards}
557
558 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
559 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length (Nichols
560 1985). Unfortunatly, the experimental data known to us only measures
561 chain length less than or equal to the bulk lipid, and does not exceed
562 it, and is only known for one bulk lipid species (DOPC). We assume
563 then, that the increase is in relationship to the average vesicle, and
564 that lipids with larger acyl chain length will also show an increase
565 in their dissociation constant.
566
567 \begin{equation}
568   l_b = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{ves}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
569   \label{eq:length_backward}
570 \end{equation}
571
572 The most common $\left<\log l_\mathrm{ves}\right>$ is around $17.75$, which leads to
573 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
574 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
575 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12
576 to
577 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
578 for monomers with length 24 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 18.
579
580
581 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
582 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
583                     y=seq(12,24,length.out=20))
584 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))
585 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
586           drape=TRUE,
587           scales=list(arrows=FALSE),
588           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
589           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
590           zlab=list("Length Backward",rot=93)))
591 rm(grid)
592
593 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
594 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
595                     y=seq(12,24,length.out=20))
596 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
597 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
598           drape=TRUE,
599           scales=list(arrows=FALSE),
600           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
601           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
602           zlab=list("Length Backward (kcal/mol)",rot=93)))
603 rm(grid)
604
605
606
607 \newpage
608 \subsubsection{Complex Formation Backward}
609
610 Complex formation describes the interaction between CHOL and PC or SM,
611 where PC or SM protects the hydroxyl group of CHOL from interactions
612 with water, the ``Umbrella Model''. PC ($CF1=2$) can interact with two
613 CHOL, and SM ($CF1=3$) with three CHOL ($CF1=-1$). If the average of
614 $CF1$ is positive (excess of SM and PC with regards to complex
615 formation), species with negative $CF1$ (CHOL) will be retained. If
616 average $CF1$ is negative, species with positive $CF1$ are retained.
617 An equation which has this property is
618 $CF1_b=a^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
619   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
620     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
621 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the specie have the same
622 sign, or double the product if the signs are different. A convenient
623 base for $a$ is $1.5$.
624
625
626 \begin{equation}
627   CF1_b=1.5^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
628   \label{eq:complex_formation_backward}
629 \end{equation}
630
631 The most common $\left<CF1_\mathrm{ves}\right>$ is around $0.925$,
632 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
633 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
634 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
635 formation $-1$ to
636 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
637 for monomers with complex formation $2$ to
638 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
639 formation $0$.
640
641
642 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
643 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
644                     y=seq(-1,3,length.out=20))
645 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
646 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
647           drape=TRUE,
648           scales=list(arrows=FALSE),
649           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
650           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
651           zlab=list("Complex Formation Backward",rot=93)))
652 rm(grid)
653
654 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
655 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
656                     y=seq(-1,3,length.out=20))
657 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
658 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
659           drape=TRUE,
660           scales=list(arrows=FALSE),
661           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
662           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
663           zlab=list("Complex Formation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
664 rm(grid)
665
666
667
668
669 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
670
671 Each of the 5 lipid types have different kinetic parameters; to the
672 greatest extent possible, we have derived these from literature.
673
674 \begin{table}
675   \centering
676   \begin{tabular}{c c c c c c c}
677     Type & $k_f$ & $k_b$ & Area (\r{A}$^2$) & Charge & CF1 & Curvature \\
678     \hline
679     PC   & $3.7\cdot 10^6$ & $2\cdot 10^{-5}$   & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
680     PS   & $3.7\cdot 10^6$ & $1.5\cdot 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
681     CHOL & $5.1\cdot 10^7$ & $2.8\cdot 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
682     SM   & $3.7\cdot 10^6$ & $3.1\cdot 10^{-3}$ & 51 & 0  & 3  & 0.8  \\
683     PE   & $2.3\cdot 10^6$ & $10^{-5}$          & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
684   \end{tabular}
685   \caption{Kinetic parameters of lipid types}
686   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
687 \end{table}
688
689 \subsubsection{$k_f$ for lipid types}
690 For PC, $k_f$ was measured by Nichols85 to be $3.7\cdot 10^6
691 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot \mathrm{s}}$ by the partitioning of
692 P-C$_6$-NBD-PC between DOPC vesicles and water. The method utilized by
693 Nichols85 has the weakness of using NBD-PC, with associated label
694 perturbations. As similar measures do not exist for SM or PS, we
695 assume that they have the same $k_f$. For CHOL, Estronca07 found a
696 value for $k_f$ of $5.1\cdot 10^7 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot
697   \mathrm{s}}$. For PE, Abreu04 found a value for $k_f$ of $2.3\cdot
698 10^6$. \fixme{I'm missing the notes on these last two papers, so this
699  isn't correct yet.}
700
701 \subsubsection{$k_b$ for lipid types}
702
703 $k_b$ for PC was measured by Wimley90 using a radioactive label and
704 large unilammelar vesicles at 30\textdegree C. The other values were
705 calculated from the experiments of Nichols82 where the ratio of $k_b$
706 of different types was measured to that of PC.
707 See~\fref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}.
708
709 assigned accordingly. kb(PS) was assumed to be the same as kb(PG)
710 given by Nichols82 (also ratio from kb(PC)). kb(SM) is taken from
711 kb(PC) of Wimley90 (radioactive), and then a ratio of kb(PC)/kb(SM)
712 taken from Bai97: = 34/2.2 = 15.45; 2.0 x 10-4 x 15.45 = 3.1 x 10-3 s
713 -1. kb(CHOL) taken from Jones90 (radioactive; POPC LUV; 37°).
714
715 PC 0.89
716 PE 0.45 <- from Nichols82
717 PG=PS 
718
719
720 kb PC is from table 2 of Wimley90, where we have a half life of 9.6
721 hours for DMPC. \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}.
722
723
724
725 \subsubsection{Area for lipid types}
726
727
728 From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
729 association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
730 are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
731 in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
732 association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
733 {indeed; everything is k- !!!; rz}
734
735 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
736 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
737 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
738 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
739 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
740 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
741 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
742 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
743 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
744
745 From Toyota08: Recently, several research groups have reported
746 self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
747 sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
748 chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
749 vesicles.44-47
750
751 Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
752 Thomas02.
753
754 From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
755 composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
756 size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
757
758 From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
759 between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
760 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
761 molecules between a donor and an acceptor population. The measured
762 efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
763 first order processes. In all of this work, the insertion rate has
764 been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
765 both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
766 association with membranes, our results show that this assumption is
767 valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
768 constant was assumed, although never demonstrated, to be a
769 diffusion-controlled process.
770
771 (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
772 energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
773 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
774   to justify arranging our changed in activating energy around 1
775   kcal/mol; rz}).
776
777 Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
778 would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
779 1500.
780
781 Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
782 although membrane curvature does have a small effect on the absolute
783 rates of FA transfer between vesicles, the Î”G of membrane desorption
784 is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
785 govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
786 than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
787 issue continue (57, 61, 63, 64)
788
789 (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
790 transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
791 depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
792 is much slower from LUV as compared to SUV).
793
794 From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
795 unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
796 rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
797 (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
798   estimation of k- rz; 8/11/08}.
799
800 \subsubsection{Complex Formation 1}
801
802 From Thomas88a: SM decreases the rate of cholesterol transfer, while
803 phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylserine (PS) have no
804 effect at physiologically significant levels.
805
806
807 \section{Simulation Methodology}
808
809 \subsection{Overall Architecture}
810
811 The simulation is currently run by single program written in perl
812 using various different modules to handle the subsidiary parts. It
813 produces output for each generation, including the step immediately
814 preceeding and immediately following a vesicle split (and optionally,
815 each step) that is written to a state file which contains the state of
816 the vesicle, environment, kinetic parameters, program invocation
817 options, time, and various other parameters necessary to recreate the
818 state vector at a given time. This output file is then read by a
819 separate program in perl to produce different output which is
820 generated out-of-band; output which includes graphs and statistical
821 analysis is performed using R (and various grid graphics modules)
822 called from the perl program.
823
824 The separation of simulation and output generation allows refining
825 output, and simulations performed on different versions of the
826 underlying code to be compared using the same analysis methods and
827 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
828 generation, utilizing the same environment.
829
830 Random variables of different distributions are calculated using
831 Math::Random, which is seeded for each run using entropy from the
832 linux kernel's urandom device.
833
834 \subsection{Environment Creation}
835
836 \subsubsection{Components}
837 The environment contains different concentrations of different
838 components. In the current set of simulations, there are
839 \Sexpr{1+4*5*7} different components, consisting of PC, PE, PS, SM,
840 and CHOL, with all lipids except for CHOL having 5 possible
841 unsaturations rangiong from 0 to 4, and 7 lengths from $12,14,...,22$
842 ($7\cdot 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment
843 has less than the maximum number of components, the components are
844 selected in order without replacement from a randomly shuffled deck of
845 component (with the exception of CHOL) represented once until the
846 desired number of unique components are obtained. CHOL is over
847 representated $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid
848 types, ensures that the probability of CHOL being asbent in the
849 environment is the same as the probability of one of the other lipid
850 types (PS, PE, etc.) being entirely absent. This reduces the number of
851 simulations with a small number of components which are entirely
852 devoid of CHOL.
853
854 \subsubsection{Concentration}
855 Once the components of the environment have been selected, the
856 concentration of thoes components is determined. In experiments where
857 the environmental concentration is the same across all lipid
858 components, the concentration is set to $10^{-10}\mathrm{M}$. In other
859 cases, the environmental concentration is set to a random number from
860 a gamma distribution with shape parameter 2 and an average of
861 $10^{-10}\mathrm{M}$. The base concentration ($10^{-10}\mathrm{M}$)
862 can also be altered in the initialization of the experiment to
863 specific values for specific lipid types or components.
864
865 \subsection{Initial Vesicle Creation}
866
867 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
868 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
869 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
870 and a mean of the experimentally specified starting size, with a
871 minimum of 5 lipid molecules. Lipid molecules are then selected to be
872 added to the lipid membrane according to four different methods. In
873 the constant method, molecules are added in direct proportion to their
874 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
875 proportion to their concentration in the environment scaled by a
876 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
877 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
878 method, which adjust the porbability of adding a molecule of a
879 specific component by the concentration of that component, and then
880 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
881 also used in the first three methods to add any missing molecules to
882 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
883 add integer numbers of molecules.
884
885 \subsection{Simulation Step}
886
887 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
888 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
889 parameters and state equation discussed until the vesicle splits
890 forming two daughter vesicles, one of which the program continues to
891 follow.
892
893 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
894
895 \label{sec:ves_prop}
896 $S_\mathrm{ves}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
897 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
898 type has a different surface area; we na\"ively assume that the lipid
899 packing is optimal, and there is no empty space.
900
901 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
902
903 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
904 ($n_i$) requires knowing $k_{fi\mathrm{adj}}$, the surface area of the
905 vesicle $S_\mathrm{ves}$ (see~\fref{sec:ves_prop}), the time interval
906 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{fi}$, and the
907 concentration of the monomer in the environment
908 $\left[C_{i\mathrm{ves}}\right]$ (see~\fref{eq:state}).
909 $k_{fi\mathrm{adj}}$ is calculated (see~\fref{eq:kf_adj}) based on the
910 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
911 many cases as possible, experimentally based)
912 (see~\fref{sec:forward_adj} for details). $dt$ can be varied
913 (see~\fref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
914 leads to the following:
915
916 $n_i = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves}\mathrm{N_A}dt$
917
918 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
919 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
920 of the integer molecules are the probability of adding a specific
921 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
922 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
923 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
924
925 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
926
927 $n_i = k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}\mathrm{N_A}dt$.
928
929 While programatically, the molecule removal happens after the
930 addition, the properties that each operates on are the same, so they
931 can be considered to have been added and removed at the same instant.
932 [This also avoids cases where a removal would have resulted in
933 negative molecules for a particular type, which is obviously
934 disallowed.]
935
936 \subsubsection{Step duration}
937 \label{sec:step_duration}
938
939 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
940 split. In the current implementation, it starts with a value of
941 $10^{-6}\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
942 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
943 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
944 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
945 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
946 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
947 different experimental runs.
948
949 (In every run seen so far, the initial $dt$ was too small, and was
950 increased before the first generation occured; at no time was $dt$ too
951 large.)
952
953 \subsubsection{Vesicle splitting}
954
955 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
956 starting vesicle size, the vesicle splits. More elaborate mechanisms
957 for determining whether a vesicle should split are of course possible,
958 but not currently implemented. Molecules are assigned to the daughter
959 vesicles at random, with each daughter vesicle having an equal chance
960 of getting a single molecule. The number of molecules to assign to the
961 first vesicle has binomial distribution with a probability of an event
962 in each trial of 0.5 and a number of trials equal to the number of
963 molecules.
964
965 \subsection{Output}
966
967 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
968 immediately before and immediately after splitting are stored to disk
969 to produce later output.
970
971 \section{Analyzing output}
972
973 Analyzing of output is handled by a separate perl program which shares
974 many common modules with the simulation program. Current output
975 includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
976 various graphs.
977
978 \subsection{PCA plots}
979
980 Vesicles have many different axes which contribute to their variation
981 between subsequent generations; two major groups of axes are the
982 components and properties of vesicles. Each component in a vesicle is
983 an axis on its own; it can be measured either as an absolute number of
984 molecules in each component, or the fraction of molecules of that
985 component over the total number of molecules; the second approach is
986 often more convenient, as it allows vesicles of different number of
987 molecules to be more directly compared (though it hides any affect of
988 vesicle size).
989
990 In order to visualize the transition of subsequent generations of
991 vesicles from their initial state in the simulation, to their final
992 state at the termination of 
993
994 \subsection{Carpet plots}
995
996
997
998 % \bibliographystyle{plainnat}
999 % \bibliography{references.bib}
1000
1001
1002 \end{document}