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use gitinfo2
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism.Rnw
1 \documentclass[english,12pt]{article}
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55 \author{Don Armstrong}
56 \title{OOL Kinetic Formalisms}
57 %\date{}
58 \onehalfspacing
59 \begin{document}
60 %\maketitle
61
62 <<load_libraries,results="hide",message=FALSE,warning=FALSE,echo=FALSE>>=
63 require("lattice")
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65 require("Hmisc")
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76   gsub("\\\\","\\\\\\\\",latexSN(x))
77 }
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80   gasconst <- 1.985
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82 }
83
84
85 \section{State Equation}
86 % double check this with the bits in the paper
87
88 The base forward kinetic parameter for the $i$th component is
89 $k_{\mathrm{f}i}$ and is dependent on the particular lipid type (PC,
90 PS, SM, etc.). The forward adjustment parameter,
91 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$, is based on the properties of the
92 vesicle and the specific component (type, length, unsaturation, etc.)
93 (see Equation~\ref{eq:kf_adj}, and
94 Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
95 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$ is the molar concentration of
96 monomer of the $i$th component. $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$ is
97 the surface area of the vesicle per volume. The base backwards kinetic
98 parameter for the $i$th component is $k_{\mathrm{b}i}$ and its
99 adjustment parameter $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$ (see
100 Equation~\ref{eq:kb_adj}, and Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
101 $\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]$ is the molar concentration of
102 the $i$th component in the vesicle.
103
104 \begin{equation}
105   \frac{d C_{i_\mathrm{ves}}}{dt} = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves} -
106   k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}
107   \label{eq:state}
108 \end{equation}
109
110 For $k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$,
111 $k_{fi}$ has units of $\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$,
112 $k_{fi\mathrm{adj}}$ and $k_{bi\mathrm{adj}}$ are unitless,
113 concentration is in units of $\frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}}$, surface
114 area is in units of $\mathrm{m}^2$, $k_{bi}$ has units of
115 $\frac{1}{\mathrm{s}}$ and $C_{i_\mathrm{ves}}$ has units of
116 $\mathrm{n}$, Thus, we have
117
118 \begin{equation}
119   \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} - 
120   \frac{1}{\mathrm{s}} \mathrm{n}
121   =
122   \frac{\mathrm{m^3}}{\mathrm{s}} \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{L}} \frac{1000\mathrm{L}}{\mathrm{m}^3} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}=
123   \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} = 1000 \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}} - \frac{\mathrm{n}}{\mathrm{s}}
124   \label{eq:state_units}
125 \end{equation}
126
127 The 1000 isn't in \fref{eq:state} above, because it is unit-dependent.
128
129 \subsection{Forward adjustments ($k_{fi\mathrm{adj}}$)}
130 \label{sec:forward_adj}
131
132 The forward rate constant adjustment, $k_{fi\mathrm{adj}}$ takes into
133 account unsaturation ($un_f$), charge ($ch_f$), curvature ($cu_f$),
134 length ($l_f$), and complex formation ($CF1_f$), each of which are
135 modified depending on the specific specie and the vesicle into which
136 the specie is entering.
137
138 \begin{equation}
139   k_{fi\mathrm{adj}} = un_f \cdot ch_f \cdot cu_f \cdot l_f \cdot CF1_f
140   \label{eq:kf_adj}
141 \end{equation}
142
143 \newpage
144 \subsubsection{Unsaturation Forward}
145
146 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
147 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
148 unsaturated and saturated lipids forming herterogeneous domains. Void
149 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
150 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
151 the membrane is greater when the standard deviation of the
152 unsaturation is larger. Assuming that an increase in width of the
153 distribution linearly decreases the free energy of activation, the
154 $un_f$ parameter must follow
155 $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}$ where $a > 1$, so a
156 convenient starting base for $a$ is $2$:
157
158 \begin{equation}
159   un_f = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)}
160   \label{eq:unsaturation_forward}
161 \end{equation}
162
163 The most common $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{ves}\right)$ is around
164 $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
165 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^1.5))}
166 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
167
168 It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
169 affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
170 not include a term for it in this formalism.
171
172
173 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=5,fig.height=5,out.width="3.2in">>=
174 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
175       main="Unsaturation Forward",
176       xlab="Standard Deviation of Unsaturation of Vesicle",
177       ylab="Unsaturation Forward Adjustment")
178
179 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=5,fig.height=5,out.width="3.2in">>=
180 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
181       main="Unsaturation forward",
182       xlab="Standard Deviation of Unsaturation of Vesicle",
183       ylab="Unsaturation Forward (kcal/mol)")
184
185
186
187 \newpage
188 \subsubsection{Charge Forward}
189
190 A charged lipid such as PS approaching a vesicle with an average
191 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
192 different signs will experience attraction, the degree of which is
193 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
194 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
195 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
196 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$, where
197 $\left<ch_v\right>$ is the average charge of the vesicle, and $ch_m$
198 is the charge of the monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$
199 is 0, the adjustment parameter is 1 (no change), whereas it decreases
200 if both are positive or negative, as the product of two real numbers
201 with the same sign is always positive. A convenient base for $a$ is
202 60, resulting in the following equation:
203
204
205 \begin{equation}
206   ch_f = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
207   \label{eq:charge_forward}
208 \end{equation}
209
210 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads to
211 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
212 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
213 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
214
215 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.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$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
220 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
221                 drape=TRUE,
222                 scales=list(arrows=FALSE),
223                 main="Charge Forward",
224                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
225                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
226                 zlab=list("Charge Forward",rot=93)))
227 rm(x,y,grid)
228
229 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
230 x <- seq(-1,0,length.out=20)
231 y <- seq(-1,0,length.out=20)
232 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
233 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
234 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
235                 drape=TRUE,
236                 scales=list(arrows=FALSE),
237                 main="Charge Forward (kcal/mol)",
238                 xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
239                 ylab=list("Component Charge",rot=-35),
240                 zlab=list("Charge Forward (kcal/mol)",rot=93)))
241 rm(x,y,grid)
242
243
244
245 \newpage
246 \subsubsection{Curvature Forward}
247
248 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
249 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
250 curvature), or planar sheets (zero curvature). In this formalism,
251 curvature is measured as the ratio of the size of the head to that of
252 the base, so negative curvature is bounded by $(0,1)$, zero curvature
253 is 1, and positive curvature is bounded by $(1,\infty)$. The curvature
254 can be transformed into the typical postive/negative mapping using
255 $\log$, which has the additional property of making the range of
256 positive and negative curvature equal, and distributed about 0.
257
258 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
259 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
260 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
261 insertion into the vesicle. However, a species with curvature $e^{-1}$
262 will cancel out a species with curvature $e$, so we have to log
263 transform (turning these into -1 and 1), then take the absolute value
264 (1 and 1), and finally measure the width of the distribution. Thus, by
265 using the log transform to make the range of the lipid curvature equal
266 between positive and negative, and taking the average to cancel out
267 exactly mismatched curvatures, we come to an equation with the shape
268 $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$. A convenient base for $a$
269 is $10$, yielding:
270
271
272 \begin{equation}
273  % cu_f = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
274   cu_f = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{vesicle} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
275   \label{eq:curvature_forward}
276 \end{equation}
277
278 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
279 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
280 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
281 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
282 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
283 relatively matched curvatures in our environment.
284
285 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
286 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
287 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
288                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
289                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
290                       mean(log(c(1,0.33))),
291                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
292 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
293 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
294           drape=TRUE,
295           scales=list(arrows=FALSE),
296           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
297           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
298           zlab=list("Vesicle Curvature Forward",rot=93)))
299 rm(grid)
300
301 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
302 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
303                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
304                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
305                       mean(log(c(1,0.33))),
306                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
307 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
308 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
309           drape=TRUE,
310           scales=list(arrows=FALSE),
311           xlab=list("Vesicle stdev log curvature",rot=30),
312           ylab=list("Vesicle average log curvature",rot=-35),
313           zlab=list("Vesicle Curvature Forward (kcal/mol)",rot=93)))
314 rm(grid)
315
316
317 \newpage
318 \subsubsection{Length Forward}
319
320 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
321 are made up of components of widely different lengths. Thus, when the
322 width of the distribution of lengths is larger, the forward rate
323 should be greater as well, leading us to an equation of the form
324 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}$, where $\mathrm{stdev}
325 l_\mathrm{ves}$ is the standard deviation of the length of the
326 components of the vesicle, which has a maximum possible value of 8 and
327 a minimum of 0 in this set of experiments. A convenient base for $x$
328 is 2, leading to:
329
330 \begin{equation}
331   l_f = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}}
332   \label{eq:length_forward}
333 \end{equation}
334
335 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}$ is around $3.4$, which leads to
336 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
337 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
338 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
339
340 While it could be argued that increased length of the monomer could
341 affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
342 it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
343 bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
344 insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
345 degree, so we do not take it into account in this formalism.
346
347 \fixme{Incorporate McLean84 here}
348 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
349 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
350 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
351 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
352 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
353 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
354 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
355 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
356 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
357
358 From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
359 decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
360 chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
361   rz 8/17/2010}.
362
363 From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
364 with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
365 (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
366   formula; rz 8/17/2010}.
367
368 From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
369 chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
370
371
372 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=5>>=
373 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
374       main="Length forward",
375       xlab="Standard Deviation of Length of Vesicle",
376       ylab="Length Forward Adjustment")
377
378 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=5>>=
379 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
380       main="Length forward",
381       xlab="Standard Deviation of Length of Vesicle",
382       ylab="Length Forward Adjustment (kcal/mol)")
383
384
385
386 \subsubsection{Complex Formation}
387 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
388 rate in the current formalism.
389
390 \begin{equation}
391   CF1_f=1
392   \label{eq:complex_formation_forward}
393 \end{equation}
394
395 \subsection{Backward adjustments ($k_{bi\mathrm{adj}}$)}
396
397 Just as the forward rate constant adjustment $k_{fi\mathrm{adj}}$
398 does, the backwards rate constant adjustment $k_{bi\mathrm{adj}}$
399 takes into account unsaturation ($un_b$), charge ($ch_b$), curvature
400 ($cu_b$), length ($l_b$), and complex formation ($CF1_b$), each of
401 which are modified depending on the specific specie and the vesicle
402 into which the specie is entering:
403
404
405 \begin{equation}
406   k_{bi\mathrm{adj}} = un_b \cdot ch_b \cdot cu_b \cdot l_b \cdot CF1_b
407   \label{eq:kb_adj}
408 \end{equation}
409
410 \subsubsection{Unsaturation Backward}
411
412 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
413 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
414 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
415 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
416 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
417 with some unsaturation is more favorable for lipids with more
418 unsaturation than the equivalent amount of less unsatuturation, so the
419 difference in energy between unsaturation is not linear. Therefore, an
420 equation with the shape
421 $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{ves}\right> }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$
422 where $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is the average unsaturation of
423 the vesicle, and $un_\mathrm{monomer}$ is the average unsaturation. In
424 this equation, as the average unsaturation of the vesicle is larger,
425
426 \begin{equation}
427   un_b = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
428   \label{eq:unsaturation_backward}
429 \end{equation}
430
431 The most common $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is around $1.7$, which leads to
432 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
433 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
434 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
435 to
436 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
437 for monomers with 4 unsaturations.
438
439
440 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
441 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
442                     y=seq(0,4,length.out=20))
443 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
444 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
445           drape=TRUE,
446           scales=list(arrows=FALSE),
447           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
448           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
449           zlab=list("Unsaturation Backward",rot=93)))
450 rm(grid)
451
452 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
453 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
454                     y=seq(0,4,length.out=20))
455 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
456 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
457           drape=TRUE,
458           scales=list(arrows=FALSE),
459           xlab=list("Average Vesicle Unsaturation",rot=30),
460           ylab=list("Monomer Unsaturation",rot=-35),
461           zlab=list("Unsaturation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
462 rm(grid)
463
464
465
466
467 \newpage
468 \subsubsection{Charge Backwards}
469 As in the case of monomers entering a vesicle, monomers leaving a
470 vesicle leave faster if their charge has the same sign as the average
471 charge vesicle. An equation of the form $ch_b = a^{\left<ch_v\right>
472   ch_m}$ is then appropriate, and using a base of $a=20$ yields:
473
474 \begin{equation}
475   ch_b = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
476   \label{eq:charge_backwards}
477 \end{equation}
478
479 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
480 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
481 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
482 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
483 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
484 for monomers with charge $0$.
485
486
487 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
488 x <- seq(-1,0,length.out=20)
489 y <- seq(-1,0,length.out=20)
490 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
491 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
492 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
493           drape=TRUE,
494           scales=list(arrows=FALSE),
495           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
496           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
497           zlab=list("Charge Backwards",rot=93)))
498 rm(x,y,grid)
499
500 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
501 x <- seq(-1,0,length.out=20)
502 y <- seq(-1,0,length.out=20)
503 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
504 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
505 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
506           drape=TRUE,
507           scales=list(arrows=FALSE),
508           xlab=list("Average Vesicle Charge",rot=30),
509           ylab=list("Component Charge",rot=-35),
510           zlab=list("Charge Backwards (kcal/mol)",rot=93)))
511 rm(x,y,grid)
512
513
514 \newpage
515 \subsubsection{Curvature Backwards}
516
517 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
518 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
519 the difference is 0, $cu_f$ needs to be one. To map negative and
520 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
521 Increasing mismatches in curvature increase the rate of efflux, but
522 asymptotically.  An equation which satisfies this critera has the
523 form $cu_f = a^{1-\left(b\left( \left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right>
524       -\log cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An
525 alternative form would use the aboslute value of the difference,
526 however, this yields a cusp and sharp increase about the curvature
527 equilibrium, which is decidedly non-elegant. We have chosen bases of
528 $a=7$ and $b=20$.
529
530 \begin{equation}
531   cu_b = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
532   \label{eq:curvature_backwards}
533 \end{equation}
534
535 The most common $\left<\log cu_\mathrm{ves}\right>$ is around $-0.013$, which leads to
536 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
537 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
538 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8
539 to
540 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
541 for monomers with curvature 1.3 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 1.
542
543
544 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
545 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
546                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
547 grid$z <- 7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1))
548 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
549           drape=TRUE,
550           scales=list(arrows=FALSE),
551           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
552           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
553           zlab=list("Curvature Backward",rot=93)))
554 rm(grid)
555
556 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
557 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
558                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
559 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(log(grid$x)-log(grid$y))^2+1)))
560 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
561           drape=TRUE,
562           scales=list(arrows=FALSE),
563           xlab=list("Vesicle Curvature",rot=30),
564           ylab=list("Monomer Curvature",rot=-35),
565           zlab=list("Curvature Backward (kcal/mol)",rot=93)))
566 rm(grid)
567
568
569 \newpage
570 \subsubsection{Length Backwards}
571
572 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
573 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length (Nichols
574 1985). Unfortunatly, the experimental data known to us only measures
575 chain length less than or equal to the bulk lipid, and does not exceed
576 it, and is only known for one bulk lipid species (DOPC). We assume
577 then, that the increase is in relationship to the average vesicle, and
578 that lipids with larger acyl chain length will also show an increase
579 in their dissociation constant.
580
581 \begin{equation}
582   l_b = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{ves}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
583   \label{eq:length_backward}
584 \end{equation}
585
586 The most common $\left<\log l_\mathrm{ves}\right>$ is around $17.75$, which leads to
587 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
588 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
589 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12
590 to
591 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
592 for monomers with length 24 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 18.
593
594
595 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
596 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
597                     y=seq(12,24,length.out=20))
598 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))
599 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
600           drape=TRUE,
601           scales=list(arrows=FALSE),
602           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
603           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
604           zlab=list("Length Backward",rot=93)))
605 rm(grid)
606
607 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
608 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
609                     y=seq(12,24,length.out=20))
610 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
611 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
612           drape=TRUE,
613           scales=list(arrows=FALSE),
614           xlab=list("Average Vesicle Length",rot=30),
615           ylab=list("Monomer Length",rot=-35),
616           zlab=list("Length Backward (kcal/mol)",rot=93)))
617 rm(grid)
618
619
620
621 \newpage
622 \subsubsection{Complex Formation Backward}
623
624 Complex formation describes the interaction between CHOL and PC or SM,
625 where PC or SM protects the hydroxyl group of CHOL from interactions
626 with water, the ``Umbrella Model''. PC ($CF1=2$) can interact with two
627 CHOL, and SM ($CF1=3$) with three CHOL ($CF1=-1$). If the average of
628 $CF1$ is positive (excess of SM and PC with regards to complex
629 formation), species with negative $CF1$ (CHOL) will be retained. If
630 average $CF1$ is negative, species with positive $CF1$ are retained.
631 An equation which has this property is
632 $CF1_b=a^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
633   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
634     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
635 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the specie have the same
636 sign, or double the product if the signs are different. A convenient
637 base for $a$ is $1.5$.
638
639
640 \begin{equation}
641   CF1_b=1.5^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
642   \label{eq:complex_formation_backward}
643 \end{equation}
644
645 The most common $\left<CF1_\mathrm{ves}\right>$ is around $0.925$,
646 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
647 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
648 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
649 formation $-1$ to
650 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
651 for monomers with complex formation $2$ to
652 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
653 formation $0$.
654
655
656 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
657 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
658                     y=seq(-1,3,length.out=20))
659 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
660 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
661           drape=TRUE,
662           scales=list(arrows=FALSE),
663           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
664           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
665           zlab=list("Complex Formation Backward",rot=93)))
666 rm(grid)
667
668 <<echo=FALSE,results="hide",fig.width=7,fig.height=7>>=
669 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
670                     y=seq(-1,3,length.out=20))
671 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
672 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
673           drape=TRUE,
674           scales=list(arrows=FALSE),
675           xlab=list("Vesicle Complex Formation",rot=30),
676           ylab=list("Monomer Complex Formation",rot=-35),
677           zlab=list("Complex Formation Backward (kcal/mol)",rot=93)))
678 rm(grid)
679
680
681
682
683 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
684
685 Each of the 5 lipid types have different kinetic parameters; to the
686 greatest extent possible, we have derived these from literature.
687
688 \begin{table}
689   \centering
690   \begin{tabular}{c c c c c c c}
691     Type & $k_f$ & $k_b$ & Area (\r{A}$^2$) & Charge & CF1 & Curvature \\
692     \hline
693     PC   & $3.7\cdot 10^6$ & $2\cdot 10^{-5}$   & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
694     PS   & $3.7\cdot 10^6$ & $1.5\cdot 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
695     CHOL & $5.1\cdot 10^7$ & $2.8\cdot 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
696     SM   & $3.7\cdot 10^6$ & $3.1\cdot 10^{-3}$ & 51 & 0  & 3  & 0.8  \\
697     PE   & $2.3\cdot 10^6$ & $10^{-5}$          & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
698   \end{tabular}
699   \caption{Kinetic parameters of lipid types}
700   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
701 \end{table}
702
703 \subsubsection{$k_f$ for lipid types}
704 For PC, $k_f$ was measured by Nichols85 to be $3.7\cdot 10^6
705 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot \mathrm{s}}$ by the partitioning of
706 P-C$_6$-NBD-PC between DOPC vesicles and water. The method utilized by
707 Nichols85 has the weakness of using NBD-PC, with associated label
708 perturbations. As similar measures do not exist for SM or PS, we
709 assume that they have the same $k_f$. For CHOL, Estronca07 found a
710 value for $k_f$ of $5.1\cdot 10^7 \frac{1}{\mathrm{M}\cdot
711   \mathrm{s}}$. For PE, Abreu04 found a value for $k_f$ of $2.3\cdot
712 10^6$. \fixme{I'm missing the notes on these last two papers, so this
713  isn't correct yet.}
714
715 \subsubsection{$k_b$ for lipid types}
716
717 $k_b$ for PC was measured by Wimley90 using a radioactive label and
718 large unilammelar vesicles at 30\textdegree C. The other values were
719 calculated from the experiments of Nichols82 where the ratio of $k_b$
720 of different types was measured to that of PC.
721 See~\fref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}.
722
723 assigned accordingly. kb(PS) was assumed to be the same as kb(PG)
724 given by Nichols82 (also ratio from kb(PC)). kb(SM) is taken from
725 kb(PC) of Wimley90 (radioactive), and then a ratio of kb(PC)/kb(SM)
726 taken from Bai97: = 34/2.2 = 15.45; 2.0 x 10-4 x 15.45 = 3.1 x 10-3 s
727 -1. kb(CHOL) taken from Jones90 (radioactive; POPC LUV; 37°).
728
729 PC 0.89
730 PE 0.45 <- from Nichols82
731 PG=PS 
732
733
734 kb PC is from table 2 of Wimley90, where we have a half life of 9.6
735 hours for DMPC. \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}.
736
737
738
739 \subsubsection{Area for lipid types}
740
741
742 From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
743 association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
744 are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
745 in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
746 association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
747 {indeed; everything is k- !!!; rz}
748
749 From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
750 the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
751 lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
752 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
753 Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
754 X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
755 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
756 cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
757 = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
758
759 From Toyota08: Recently, several research groups have reported
760 self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
761 sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
762 chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
763 vesicles.44-47
764
765 Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
766 Thomas02.
767
768 From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
769 composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
770 size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
771
772 From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
773 between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
774 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
775 molecules between a donor and an acceptor population. The measured
776 efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
777 first order processes. In all of this work, the insertion rate has
778 been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
779 both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
780 association with membranes, our results show that this assumption is
781 valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
782 constant was assumed, although never demonstrated, to be a
783 diffusion-controlled process.
784
785 (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
786 energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
787 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
788   to justify arranging our changed in activating energy around 1
789   kcal/mol; rz}).
790
791 Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
792 would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
793 1500.
794
795 Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
796 although membrane curvature does have a small effect on the absolute
797 rates of FA transfer between vesicles, the Î”G of membrane desorption
798 is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
799 govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
800 than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
801 issue continue (57, 61, 63, 64)
802
803 (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
804 transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
805 depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
806 is much slower from LUV as compared to SUV).
807
808 From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
809 unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
810 rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
811 (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
812   estimation of k- rz; 8/11/08}.
813
814 \subsubsection{Complex Formation 1}
815
816 From Thomas88a: SM decreases the rate of cholesterol transfer, while
817 phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylserine (PS) have no
818 effect at physiologically significant levels.
819
820
821 \section{Simulation Methodology}
822
823 \subsection{Overall Architecture}
824
825 The simulation is currently run by single program written in perl
826 using various different modules to handle the subsidiary parts. It
827 produces output for each generation, including the step immediately
828 preceeding and immediately following a vesicle split (and optionally,
829 each step) that is written to a state file which contains the state of
830 the vesicle, environment, kinetic parameters, program invocation
831 options, time, and various other parameters necessary to recreate the
832 state vector at a given time. This output file is then read by a
833 separate program in perl to produce different output which is
834 generated out-of-band; output which includes graphs and statistical
835 analysis is performed using R (and various grid graphics modules)
836 called from the perl program.
837
838 The separation of simulation and output generation allows refining
839 output, and simulations performed on different versions of the
840 underlying code to be compared using the same analysis methods and
841 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
842 generation, utilizing the same environment.
843
844 Random variables of different distributions are calculated using
845 Math::Random, which is seeded for each run using entropy from the
846 linux kernel's urandom device.
847
848 \subsection{Environment Creation}
849
850 \subsubsection{Components}
851 The environment contains different concentrations of different
852 components. In the current set of simulations, there are
853 \Sexpr{1+4*5*7} different components, consisting of PC, PE, PS, SM,
854 and CHOL, with all lipids except for CHOL having 5 possible
855 unsaturations rangiong from 0 to 4, and 7 lengths from $12,14,...,22$
856 ($7\cdot 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment
857 has less than the maximum number of components, the components are
858 selected in order without replacement from a randomly shuffled deck of
859 component (with the exception of CHOL) represented once until the
860 desired number of unique components are obtained. CHOL is over
861 representated $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid
862 types, ensures that the probability of CHOL being asbent in the
863 environment is the same as the probability of one of the other lipid
864 types (PS, PE, etc.) being entirely absent. This reduces the number of
865 simulations with a small number of components which are entirely
866 devoid of CHOL.
867
868 \subsubsection{Concentration}
869 Once the components of the environment have been selected, the
870 concentration of thoes components is determined. In experiments where
871 the environmental concentration is the same across all lipid
872 components, the concentration is set to $10^{-10}\mathrm{M}$. In other
873 cases, the environmental concentration is set to a random number from
874 a gamma distribution with shape parameter 2 and an average of
875 $10^{-10}\mathrm{M}$. The base concentration ($10^{-10}\mathrm{M}$)
876 can also be altered in the initialization of the experiment to
877 specific values for specific lipid types or components.
878
879 \subsection{Initial Vesicle Creation}
880
881 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
882 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
883 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
884 and a mean of the experimentally specified starting size, with a
885 minimum of 5 lipid molecules. Lipid molecules are then selected to be
886 added to the lipid membrane according to four different methods. In
887 the constant method, molecules are added in direct proportion to their
888 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
889 proportion to their concentration in the environment scaled by a
890 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
891 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
892 method, which adjust the porbability of adding a molecule of a
893 specific component by the concentration of that component, and then
894 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
895 also used in the first three methods to add any missing molecules to
896 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
897 add integer numbers of molecules.
898
899 \subsection{Simulation Step}
900
901 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
902 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
903 parameters and state equation discussed until the vesicle splits
904 forming two daughter vesicles, one of which the program continues to
905 follow.
906
907 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
908
909 \label{sec:ves_prop}
910 $S_\mathrm{ves}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
911 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
912 type has a different surface area; we na\"ively assume that the lipid
913 packing is optimal, and there is no empty space.
914
915 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
916
917 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
918 ($n_i$) requires knowing $k_{fi\mathrm{adj}}$, the surface area of the
919 vesicle $S_\mathrm{ves}$ (see~\fref{sec:ves_prop}), the time interval
920 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{fi}$, and the
921 concentration of the monomer in the environment
922 $\left[C_{i\mathrm{ves}}\right]$ (see~\fref{eq:state}).
923 $k_{fi\mathrm{adj}}$ is calculated (see~\fref{eq:kf_adj}) based on the
924 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
925 many cases as possible, experimentally based)
926 (see~\fref{sec:forward_adj} for details). $dt$ can be varied
927 (see~\fref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
928 leads to the following:
929
930 $n_i = k_{fi}k_{fi\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{ves}\mathrm{N_A}dt$
931
932 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
933 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
934 of the integer molecules are the probability of adding a specific
935 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
936 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
937 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
938
939 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
940
941 $n_i = k_{bi}k_{bi\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{ves}}\mathrm{N_A}dt$.
942
943 While programatically, the molecule removal happens after the
944 addition, the properties that each operates on are the same, so they
945 can be considered to have been added and removed at the same instant.
946 [This also avoids cases where a removal would have resulted in
947 negative molecules for a particular type, which is obviously
948 disallowed.]
949
950 \subsubsection{Step duration}
951 \label{sec:step_duration}
952
953 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
954 split. In the current implementation, it starts with a value of
955 $10^{-6}\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
956 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
957 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
958 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
959 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
960 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
961 different experimental runs.
962
963 (In every run seen so far, the initial $dt$ was too small, and was
964 increased before the first generation occured; at no time was $dt$ too
965 large.)
966
967 \subsubsection{Vesicle splitting}
968
969 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
970 starting vesicle size, the vesicle splits. More elaborate mechanisms
971 for determining whether a vesicle should split are of course possible,
972 but not currently implemented. Molecules are assigned to the daughter
973 vesicles at random, with each daughter vesicle having an equal chance
974 of getting a single molecule. The number of molecules to assign to the
975 first vesicle has binomial distribution with a probability of an event
976 in each trial of 0.5 and a number of trials equal to the number of
977 molecules.
978
979 \subsection{Output}
980
981 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
982 immediately before and immediately after splitting are stored to disk
983 to produce later output.
984
985 \section{Analyzing output}
986
987 Analyzing of output is handled by a separate perl program which shares
988 many common modules with the simulation program. Current output
989 includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
990 various graphs.
991
992 \subsection{PCA plots}
993
994 Vesicles have many different axes which contribute to their variation
995 between subsequent generations; two major groups of axes are the
996 components and properties of vesicles. Each component in a vesicle is
997 an axis on its own; it can be measured either as an absolute number of
998 molecules in each component, or the fraction of molecules of that
999 component over the total number of molecules; the second approach is
1000 often more convenient, as it allows vesicles of different number of
1001 molecules to be more directly compared (though it hides any affect of
1002 vesicle size).
1003
1004 In order to visualize the transition of subsequent generations of
1005 vesicles from their initial state in the simulation, to their final
1006 state at the termination of 
1007
1008 \subsection{Carpet plots}
1009
1010
1011
1012 % \bibliographystyle{plainnat}
1013 % \bibliography{references.bib}
1014
1015
1016 \end{document}