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use knitr for 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}%
25       \setlength{\listparindent}{\parindent}%
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32   }%
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49 \oddsidemargin 0.0in 
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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 require(Hmisc)
66 require(gridBase)
67 to.latex <- function(x){
68   gsub("\\\\","\\\\\\\\",latexSN(x))
69 }
70 # R in cal / mol K
71 to.kcal <- function(k,temp=300) {
72   gasconst <- 1.985
73   return(-gasconst*temp*log(k)/1000)
74 }
75
76
77 \section{State Equation}
78 % double check this with the bits in the paper
79
80 The base forward kinetic parameter for the $i$th component is
81 $k_{\mathrm{f}i}$ and is dependent on the particular lipid type (PC,
82 PS, SM, etc.). The forward adjustment parameter,
83 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$, is based on the properties of the
84 vesicle and the specific component (type, length, unsaturation, etc.)
85 (see Equation~\ref{eq:kf_adj}, and
86 Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
87 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$ is the molar concentration of
88 monomer of the $i$th component. $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$ is
89 the surface area of the vesicle per volume. The base backwards kinetic
90 parameter for the $i$th component is $k_{\mathrm{b}i}$ and its
91 adjustment parameter $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$ (see
92 Equation~\ref{eq:kb_adj}, and Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
93 $\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]$ is the molar concentration of
94 the $i$th component in the vesicle.
95
96 \begin{equation}
97   \frac{d C_{i_\mathrm{ves}}}{dt} = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves} -
98   k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}
99   \label{eq:state}
100 \end{equation}
101
102 For $k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$,
103 $k_{fi}$ has units of $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$,
104 $k_{fi\mathrm{adj}}$ and $k_{bi\mathrm{adj}}$ are unitless,
105 concentration is in units of $\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}}$, surface
106 area is in units of $\mathrm{m}^2$, $k_{bi}$ has units of
107 $\frac{1}{\mathrm{s}}$ and $C_{i_\mathrm{ves}}$ has units of
108 $\mathrm{n}$, Thus, we have
109
110 \begin{equation}
111   \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} - 
112   \frac{1}{\mathrm{s}} \mathrm{n}
113   =
114   \frac{\mathrm{m^3}}{\mathrm{s}} \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}} \frac{1000\mathrm{L}}{\mathrm{m}^3} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}=
115   \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} = 1000 \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}
116   \label{eq:state_units}
117 \end{equation}
118
119 The 1000 isn't in \fref{eq:state} above, because it is unit-dependent.
120
121 \subsection{Forward adjustments ($k_{fi\mathrm{adj}}$)}
122 \label{sec:forward_adj}
123
124 The forward rate constant adjustment, $k_{fi\mathrm{adj}}$ takes into
125 account unsaturation ($un_f$), charge ($ch_f$), curvature ($cu_f$),
126 length ($l_f$), and complex formation ($CF1_f$), each of which are
127 modified depending on the specific specie and the vesicle into which
128 the specie is entering.
129
130 \begin{equation}
131   k_{fi\mathrm{adj}} = un_f \cdot ch_f \cdot cu_f \cdot l_f \cdot CF1_f
132   \label{eq:kf_adj}
133 \end{equation}
134
135 \newpage
136 \subsubsection{Unsaturation Forward}
137
138 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
139 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
140 unsaturated and saturated lipids forming herterogeneous domains. Void
141 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
142 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
143 the membrane is greater when the standard deviation of the
144 unsaturation is larger. Assuming that an increase in width of the
145 distribution linearly decreases the free energy of activation, the
146 $un_f$ parameter must follow
147 $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}$ where $a > 1$, so a
148 convenient starting base for $a$ is $2$:
149
150 \begin{equation}
151   un_f = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}
152   \label{eq:unsaturation_forward}
153 \end{equation}
154
155 The most common $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)$ is around
156 $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
157 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^1.5))}
158 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
159
160 It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
161 affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
162 not include a term for it in this formalism.
163
164
165 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=5,fig.height=5,out.width="3.2in">>=
166 curve(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 Adjustment")
170
171 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=5,fig.height=5,out.width="3.2in">>=
172 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
173       main="Unsaturation forward",
174       xlab="Standard Deviation of Unsaturation of Vesicle",
175       ylab="Unsaturation Forward (kcal/mol)")
176
177
178
179 \newpage
180 \subsubsection{Charge Forward}
181
182 A charged lipid such as PS approaching a vesicle with an average
183 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
184 different signs will experience attraction, the degree of which is
185 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
186 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
187 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
188 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$, where
189 $\left<ch_v\right>$ is the average charge of the vesicle, and $ch_m$
190 is the charge of the monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$
191 is 0, the adjustment parameter is 1 (no change), whereas it decreases
192 if both are positive or negative, as the product of two real numbers
193 with the same sign is always positive. A convenient base for $a$ is
194 60, resulting in the following equation:
195
196
197 \begin{equation}
198   ch_f = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
199   \label{eq:charge_forward}
200 \end{equation}
201
202 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads to
203 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
204 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
205 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
206
207 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
208 x <- seq(-1,0,length.out=20)
209 y <- seq(-1,0,length.out=20)
210 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
211 grid$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
212 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
213                 drape=TRUE,
214                 scales=list(arrows=FALSE),
215                 main="Charge Forward",
216                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
217                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
218                 zlab=list("Charge Forward",rot=93)))
219 rm(x,y,grid)
220
221 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
222 x <- seq(-1,0,length.out=20)
223 y <- seq(-1,0,length.out=20)
224 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
225 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
226 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
227                 drape=TRUE,
228                 scales=list(arrows=FALSE),
229                 main="Charge Forward (kcal/mol)",
230                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
231                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
232                 zlab=list("Charge Forward (kcal/mol)",rot=93)))
233 rm(x,y,grid)
234
235
236
237 \newpage
238 \subsubsection{Curvature Forward}
239
240 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
241 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
242 curvature), or planar sheets (zero curvature). In this formalism,
243 curvature is measured as the ratio of the size of the head to that of
244 the base, so negative curvature is bounded by $(0,1)$, zero curvature
245 is 1, and positive curvature is bounded by $(1,\infty)$. The curvature
246 can be transformed into the typical postive/negative mapping using
247 $\log$, which has the additional property of making the range of
248 positive and negative curvature equal, and distributed about 0.
249
250 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
251 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
252 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
253 insertion into the vesicle. However, a species with curvature $e^{-1}$
254 will cancel out a species with curvature $e$, so we have to log
255 transform (turning these into -1 and 1), then take the absolute value
256 (1 and 1), and finally measure the width of the distribution. Thus, by
257 using the log transform to make the range of the lipid curvature equal
258 between positive and negative, and taking the average to cancel out
259 exactly mismatched curvatures, we come to an equation with the shape
260 $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$. A convenient base for $a$
261 is $10$, yielding:
262
263
264 \begin{equation}
265  % cu_f = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
266   cu_f = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{vesicle} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
267   \label{eq:curvature_forward}
268 \end{equation}
269
270 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
271 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
272 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
273 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
274 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
275 relatively matched curvatures in our environment.
276
277 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
278 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
279 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
280                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
281                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
282                       mean(log(c(1,0.33))),
283                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
284 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
285 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
286           drape=TRUE,
287           scales=list(arrows=FALSE),
288           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
289           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
290           zlab=list("Vesicle Curvature Forward",rot=93)))
291 rm(grid)
292
293 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
294 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
295                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
296                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
297                       mean(log(c(1,0.33))),
298                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
299 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
300 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
301           drape=TRUE,
302           scales=list(arrows=FALSE),
303           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
304           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
305           zlab=list("Vesicle Curvature Forward (kcal/mol)",rot=93)))
306 rm(grid)
307
308
309 \newpage
310 \subsubsection{Length Forward}
311
312 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
313 are made up of components of widely different lengths. Thus, when the
314 width of the distribution of lengths is larger, the forward rate
315 should be greater as well, leading us to an equation of the form
316 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}$, where $\mathrm{stdev}
317 l_\mathrm{ves}$ is the standard deviation of the length of the
318 components of the vesicle, which has a maximum possible value of 8 and
319 a minimum of 0 in this set of experiments. A convenient base for $x$
320 is 2, leading to:
321
322 \begin{equation}
323   l_f = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}
324   \label{eq:length_forward}
325 \end{equation}
326
327 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}$ is around $3.4$, which leads to
328 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
329 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
330 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
331
332 While it could be argued that increased length of the monomer could
333 affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
334 it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
335 bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
336 insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
337 degree, so we do not take it into account in this formalism.
338
339 \fixme{Incorporate McLean84 here}
340 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
341 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
342 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
343 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
344 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
345 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
346 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
347 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
348 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
349
350 From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
351 decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
352 chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
353   rz 8/17/2010}.
354
355 From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
356 with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
357 (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
358   formula; rz 8/17/2010}.
359
360 From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
361 chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
362
363
364 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=5>>=
365 curve(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")
369
370 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=5>>=
371 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
372       main="Length forward",
373       xlab="Standard Deviation of Length of Vesicle",
374       ylab="Length Forward Adjustment (kcal/mol)")
375
376
377
378 \subsubsection{Complex Formation}
379 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
380 rate in the current formalism.
381
382 \begin{equation}
383   CF1_f=1
384   \label{eq:complex_formation_forward}
385 \end{equation}
386
387 \subsection{Backward adjustments ($k_{bi\mathrm{adj}}$)}
388
389 Just as the forward rate constant adjustment $k_{fi\mathrm{adj}}$
390 does, the backwards rate constant adjustment $k_{bi\mathrm{adj}}$
391 takes into account unsaturation ($un_b$), charge ($ch_b$), curvature
392 ($cu_b$), length ($l_b$), and complex formation ($CF1_b$), each of
393 which are modified depending on the specific specie and the vesicle
394 into which the specie is entering:
395
396
397 \begin{equation}
398   k_{bi\mathrm{adj}} = un_b \cdot ch_b \cdot cu_b \cdot l_b \cdot CF1_b
399   \label{eq:kb_adj}
400 \end{equation}
401
402 \subsubsection{Unsaturation Backward}
403
404 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
405 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
406 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
407 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
408 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
409 with some unsaturation is more favorable for lipids with more
410 unsaturation than the equivalent amount of less unsatuturation, so the
411 difference in energy between unsaturation is not linear. Therefore, an
412 equation with the shape
413 $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{ves}\right> }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$
414 where $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is the average unsaturation of
415 the vesicle, and $un_\mathrm{monomer}$ is the average unsaturation. In
416 this equation, as the average unsaturation of the vesicle is larger,
417
418 \begin{equation}
419   un_b = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
420   \label{eq:unsaturation_backward}
421 \end{equation}
422
423 The most common $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is around $1.7$, which leads to
424 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
425 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
426 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
427 to
428 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
429 for monomers with 4 unsaturations.
430
431
432 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
433 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
434                     y=seq(0,4,length.out=20))
435 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
436 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
437           drape=TRUE,
438           scales=list(arrows=FALSE),
439           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
440           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
441           zlab=list("Unsaturation Backward",rot=93)))
442 rm(grid)
443
444 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
445 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
446                     y=seq(0,4,length.out=20))
447 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
448 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
449           drape=TRUE,
450           scales=list(arrows=FALSE),
451           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
452           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
453           zlab=list("Unsaturation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
454 rm(grid)
455
456
457
458
459 \newpage
460 \subsubsection{Charge Backwards}
461 As in the case of monomers entering a vesicle, monomers leaving a
462 vesicle leave faster if their charge has the same sign as the average
463 charge vesicle. An equation of the form $ch_b = a^{\left<ch_v\right>
464   ch_m}$ is then appropriate, and using a base of $a=20$ yields:
465
466 \begin{equation}
467   ch_b = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
468   \label{eq:charge_backwards}
469 \end{equation}
470
471 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
472 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
473 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
474 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
475 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
476 for monomers with charge $0$.
477
478
479 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
480 x <- seq(-1,0,length.out=20)
481 y <- seq(-1,0,length.out=20)
482 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
483 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
484 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
485           drape=TRUE,
486           scales=list(arrows=FALSE),
487           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
488           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
489           zlab=list("Charge Backwards",rot=93)))
490 rm(x,y,grid)
491
492 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
493 x <- seq(-1,0,length.out=20)
494 y <- seq(-1,0,length.out=20)
495 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
496 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
497 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
498           drape=TRUE,
499           scales=list(arrows=FALSE),
500           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
501           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
502           zlab=list("Charge Backwards (kcal/mol)",rot=93)))
503 rm(x,y,grid)
504
505
506 \newpage
507 \subsubsection{Curvature Backwards}
508
509 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
510 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
511 the difference is 0, $cu_f$ needs to be one. To map negative and
512 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
513 Increasing mismatches in curvature increase the rate of efflux, but
514 asymptotically.  An equation which satisfies this critera has the
515 form $cu_f = a^{1-\left(b\left( \left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right>
516       -\log cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An
517 alternative form would use the aboslute value of the difference,
518 however, this yields a cusp and sharp increase about the curvature
519 equilibrium, which is decidedly non-elegant. We have chosen bases of
520 $a=7$ and $b=20$.
521
522 \begin{equation}
523   cu_b = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
524   \label{eq:curvature_backwards}
525 \end{equation}
526
527 The most common $\left<\log cu_\mathrm{ves}\right>$ is around $-0.013$, which leads to
528 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
529 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
530 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8
531 to
532 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
533 for monomers with curvature 1.3 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 1.
534
535
536 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
537 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
538                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
539 grid$z <- 7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1))
540 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
541           drape=TRUE,
542           scales=list(arrows=FALSE),
543           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
544           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
545           zlab=list("Curvature Backward",rot=93)))
546 rm(grid)
547
548 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
549 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
550                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
551 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1)))
552 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
553           drape=TRUE,
554           scales=list(arrows=FALSE),
555           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
556           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
557           zlab=list("Curvature Backward (kcal/mol)",rot=93)))
558 rm(grid)
559
560
561 \newpage
562 \subsubsection{Length Backwards}
563
564 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
565 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length (Nichols
566 1985). Unfortunatly, the experimental data known to us only measures
567 chain length less than or equal to the bulk lipid, and does not exceed
568 it, and is only known for one bulk lipid species (DOPC). We assume
569 then, that the increase is in relationship to the average vesicle, and
570 that lipids with larger acyl chain length will also show an increase
571 in their dissociation constant.
572
573 \begin{equation}
574   l_b = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{ves}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
575   \label{eq:length_backward}
576 \end{equation}
577
578 The most common $\left<\log l_\mathrm{ves}\right>$ is around $17.75$, which leads to
579 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
580 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
581 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12
582 to
583 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
584 for monomers with length 24 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 18.
585
586
587 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
588 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
589                     y=seq(12,24,length.out=20))
590 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))
591 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
592           drape=TRUE,
593           scales=list(arrows=FALSE),
594           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
595           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
596           zlab=list("Length Backward",rot=93)))
597 rm(grid)
598
599 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
600 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
601                     y=seq(12,24,length.out=20))
602 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
603 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
604           drape=TRUE,
605           scales=list(arrows=FALSE),
606           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
607           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
608           zlab=list("Length Backward (kcal/mol)",rot=93)))
609 rm(grid)
610
611
612
613 \newpage
614 \subsubsection{Complex Formation Backward}
615
616 Complex formation describes the interaction between CHOL and PC or SM,
617 where PC or SM protects the hydroxyl group of CHOL from interactions
618 with water, the ``Umbrella Model''. PC ($CF1=2$) can interact with two
619 CHOL, and SM ($CF1=3$) with three CHOL ($CF1=-1$). If the average of
620 $CF1$ is positive (excess of SM and PC with regards to complex
621 formation), species with negative $CF1$ (CHOL) will be retained. If
622 average $CF1$ is negative, species with positive $CF1$ are retained.
623 An equation which has this property is
624 $CF1_b=a^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
625   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
626     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
627 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the specie have the same
628 sign, or double the product if the signs are different. A convenient
629 base for $a$ is $1.5$.
630
631
632 \begin{equation}
633   CF1_b=1.5^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
634   \label{eq:complex_formation_backward}
635 \end{equation}
636
637 The most common $\left<CF1_\mathrm{ves}\right>$ is around $0.925$,
638 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
639 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
640 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
641 formation $-1$ to
642 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
643 for monomers with complex formation $2$ to
644 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
645 formation $0$.
646
647
648 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
649 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
650                     y=seq(-1,3,length.out=20))
651 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
652 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
653           drape=TRUE,
654           scales=list(arrows=FALSE),
655           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
656           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
657           zlab=list("Complex Formation Backward",rot=93)))
658 rm(grid)
659
660 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
661 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
662                     y=seq(-1,3,length.out=20))
663 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
664 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
665           drape=TRUE,
666           scales=list(arrows=FALSE),
667           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
668           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
669           zlab=list("Complex Formation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
670 rm(grid)
671
672
673
674
675 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
676
677 Each of the 5 lipid types have different kinetic parameters; to the
678 greatest extent possible, we have derived these from literature.
679
680 \begin{table}
681   \centering
682   \begin{tabular}{c c c c c c c}
683     Type & $k_f$ & $k_b$ & Area (\r{A}$^2$) & Charge & CF1 & Curvature \\
684     \hline
685     PC   & $3.7\cdot 10^6$ & $2\cdot 10^{-5}$   & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
686     PS   & $3.7\cdot 10^6$ & $1.5\cdot 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
687     CHOL & $5.1\cdot 10^7$ & $2.8\cdot 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
688     SM   & $3.7\cdot 10^6$ & $3.1\cdot 10^{-3}$ & 51 & 0  & 3  & 0.8  \\
689     PE   & $2.3\cdot 10^6$ & $10^{-5}$          & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
690   \end{tabular}
691   \caption{Kinetic parameters of lipid types}
692   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
693 \end{table}
694
695 \subsubsection{$k_f$ for lipid types}
696 For PC, $k_f$ was measured by Nichols85 to be $3.7\cdot 10^6
697 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot \mathrm{s}}$ by the partitioning of
698 P-C$_6$-NBD-PC between DOPC vesicles and water. The method utilized by
699 Nichols85 has the weakness of using NBD-PC, with associated label
700 perturbations. As similar measures do not exist for SM or PS, we
701 assume that they have the same $k_f$. For CHOL, Estronca07 found a
702 value for $k_f$ of $5.1\cdot 10^7 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot
703   \mathrm{s}}$. For PE, Abreu04 found a value for $k_f$ of $2.3\cdot
704 10^6$. \fixme{I'm missing the notes on these last two papers, so this
705  isn't correct yet.}
706
707 \subsubsection{$k_b$ for lipid types}
708
709 $k_b$ for PC was measured by Wimley90 using a radioactive label and
710 large unilammelar vesicles at 30\textdegree C. The other values were
711 calculated from the experiments of Nichols82 where the ratio of $k_b$
712 of different types was measured to that of PC.
713 See~\fref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}.
714
715 assigned accordingly. kb(PS) was assumed to be the same as kb(PG)
716 given by Nichols82 (also ratio from kb(PC)). kb(SM) is taken from
717 kb(PC) of Wimley90 (radioactive), and then a ratio of kb(PC)/kb(SM)
718 taken from Bai97: = 34/2.2 = 15.45; 2.0 x 10-4 x 15.45 = 3.1 x 10-3 s
719 -1. kb(CHOL) taken from Jones90 (radioactive; POPC LUV; 37°).
720
721 PC 0.89
722 PE 0.45 <- from Nichols82
723 PG=PS 
724
725
726 kb PC is from table 2 of Wimley90, where we have a half life of 9.6
727 hours for DMPC. \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}.
728
729
730
731 \subsubsection{Area for lipid types}
732
733
734 From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
735 association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
736 are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
737 in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
738 association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
739 {indeed; everything is k- !!!; rz}
740
741 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
742 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
743 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
744 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
745 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
746 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
747 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
748 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
749 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
750
751 From Toyota08: Recently, several research groups have reported
752 self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
753 sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
754 chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
755 vesicles.44-47
756
757 Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
758 Thomas02.
759
760 From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
761 composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
762 size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
763
764 From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
765 between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
766 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
767 molecules between a donor and an acceptor population. The measured
768 efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
769 first order processes. In all of this work, the insertion rate has
770 been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
771 both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
772 association with membranes, our results show that this assumption is
773 valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
774 constant was assumed, although never demonstrated, to be a
775 diffusion-controlled process.
776
777 (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
778 energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
779 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
780   to justify arranging our changed in activating energy around 1
781   kcal/mol; rz}).
782
783 Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
784 would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
785 1500.
786
787 Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
788 although membrane curvature does have a small effect on the absolute
789 rates of FA transfer between vesicles, the Î”G of membrane desorption
790 is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
791 govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
792 than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
793 issue continue (57, 61, 63, 64)
794
795 (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
796 transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
797 depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
798 is much slower from LUV as compared to SUV).
799
800 From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
801 unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
802 rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
803 (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
804   estimation of k- rz; 8/11/08}.
805
806 \subsubsection{Complex Formation 1}
807
808 From Thomas88a: SM decreases the rate of cholesterol transfer, while
809 phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylserine (PS) have no
810 effect at physiologically significant levels.
811
812
813 \section{Simulation Methodology}
814
815 \subsection{Overall Architecture}
816
817 The simulation is currently run by single program written in perl
818 using various different modules to handle the subsidiary parts. It
819 produces output for each generation, including the step immediately
820 preceeding and immediately following a vesicle split (and optionally,
821 each step) that is written to a state file which contains the state of
822 the vesicle, environment, kinetic parameters, program invocation
823 options, time, and various other parameters necessary to recreate the
824 state vector at a given time. This output file is then read by a
825 separate program in perl to produce different output which is
826 generated out-of-band; output which includes graphs and statistical
827 analysis is performed using R (and various grid graphics modules)
828 called from the perl program.
829
830 The separation of simulation and output generation allows refining
831 output, and simulations performed on different versions of the
832 underlying code to be compared using the same analysis methods and
833 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
834 generation, utilizing the same environment.
835
836 Random variables of different distributions are calculated using
837 Math::Random, which is seeded for each run using entropy from the
838 linux kernel's urandom device.
839
840 \subsection{Environment Creation}
841
842 \subsubsection{Components}
843 The environment contains different concentrations of different
844 components. In the current set of simulations, there are
845 \Sexpr{1+4*5*7} different components, consisting of PC, PE, PS, SM,
846 and CHOL, with all lipids except for CHOL having 5 possible
847 unsaturations rangiong from 0 to 4, and 7 lengths from $12,14,...,22$
848 ($7\cdot 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment
849 has less than the maximum number of components, the components are
850 selected in order without replacement from a randomly shuffled deck of
851 component (with the exception of CHOL) represented once until the
852 desired number of unique components are obtained. CHOL is over
853 representated $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid
854 types, ensures that the probability of CHOL being asbent in the
855 environment is the same as the probability of one of the other lipid
856 types (PS, PE, etc.) being entirely absent. This reduces the number of
857 simulations with a small number of components which are entirely
858 devoid of CHOL.
859
860 \subsubsection{Concentration}
861 Once the components of the environment have been selected, the
862 concentration of thoes components is determined. In experiments where
863 the environmental concentration is the same across all lipid
864 components, the concentration is set to $10^{-10}\mathrm{M}$. In other
865 cases, the environmental concentration is set to a random number from
866 a gamma distribution with shape parameter 2 and an average of
867 $10^{-10}\mathrm{M}$. The base concentration ($10^{-10}\mathrm{M}$)
868 can also be altered in the initialization of the experiment to
869 specific values for specific lipid types or components.
870
871 \subsection{Initial Vesicle Creation}
872
873 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
874 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
875 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
876 and a mean of the experimentally specified starting size, with a
877 minimum of 5 lipid molecules. Lipid molecules are then selected to be
878 added to the lipid membrane according to four different methods. In
879 the constant method, molecules are added in direct proportion to their
880 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
881 proportion to their concentration in the environment scaled by a
882 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
883 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
884 method, which adjust the porbability of adding a molecule of a
885 specific component by the concentration of that component, and then
886 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
887 also used in the first three methods to add any missing molecules to
888 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
889 add integer numbers of molecules.
890
891 \subsection{Simulation Step}
892
893 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
894 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
895 parameters and state equation discussed until the vesicle splits
896 forming two daughter vesicles, one of which the program continues to
897 follow.
898
899 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
900
901 \label{sec:ves_prop}
902 $S_\mathrm{ves}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
903 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
904 type has a different surface area; we na\"ively assume that the lipid
905 packing is optimal, and there is no empty space.
906
907 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
908
909 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
910 ($n_i$) requires knowing $k_{fi\mathrm{adj}}$, the surface area of the
911 vesicle $S_\mathrm{ves}$ (see~\fref{sec:ves_prop}), the time interval
912 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{fi}$, and the
913 concentration of the monomer in the environment
914 $\left[C_{i\mathrm{ves}}\right]$ (see~\fref{eq:state}).
915 $k_{fi\mathrm{adj}}$ is calculated (see~\fref{eq:kf_adj}) based on the
916 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
917 many cases as possible, experimentally based)
918 (see~\fref{sec:forward_adj} for details). $dt$ can be varied
919 (see~\fref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
920 leads to the following:
921
922 $n_i = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves}\mathrm{N_A}dt$
923
924 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
925 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
926 of the integer molecules are the probability of adding a specific
927 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
928 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
929 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
930
931 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
932
933 $n_i = k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}\mathrm{N_A}dt$.
934
935 While programatically, the molecule removal happens after the
936 addition, the properties that each operates on are the same, so they
937 can be considered to have been added and removed at the same instant.
938 [This also avoids cases where a removal would have resulted in
939 negative molecules for a particular type, which is obviously
940 disallowed.]
941
942 \subsubsection{Step duration}
943 \label{sec:step_duration}
944
945 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
946 split. In the current implementation, it starts with a value of
947 $10^{-6}\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
948 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
949 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
950 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
951 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
952 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
953 different experimental runs.
954
955 (In every run seen so far, the initial $dt$ was too small, and was
956 increased before the first generation occured; at no time was $dt$ too
957 large.)
958
959 \subsubsection{Vesicle splitting}
960
961 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
962 starting vesicle size, the vesicle splits. More elaborate mechanisms
963 for determining whether a vesicle should split are of course possible,
964 but not currently implemented. Molecules are assigned to the daughter
965 vesicles at random, with each daughter vesicle having an equal chance
966 of getting a single molecule. The number of molecules to assign to the
967 first vesicle has binomial distribution with a probability of an event
968 in each trial of 0.5 and a number of trials equal to the number of
969 molecules.
970
971 \subsection{Output}
972
973 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
974 immediately before and immediately after splitting are stored to disk
975 to produce later output.
976
977 \section{Analyzing output}
978
979 Analyzing of output is handled by a separate perl program which shares
980 many common modules with the simulation program. Current output
981 includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
982 various graphs.
983
984 \subsection{PCA plots}
985
986 Vesicles have many different axes which contribute to their variation
987 between subsequent generations; two major groups of axes are the
988 components and properties of vesicles. Each component in a vesicle is
989 an axis on its own; it can be measured either as an absolute number of
990 molecules in each component, or the fraction of molecules of that
991 component over the total number of molecules; the second approach is
992 often more convenient, as it allows vesicles of different number of
993 molecules to be more directly compared (though it hides any affect of
994 vesicle size).
995
996 In order to visualize the transition of subsequent generations of
997 vesicles from their initial state in the simulation, to their final
998 state at the termination of 
999
1000 \subsection{Carpet plots}
1001
1002
1003
1004 % \bibliographystyle{plainnat}
1005 % \bibliography{references.bib}
1006
1007
1008 \end{document}