]> git.donarmstrong.com Git - ool/lipid_simulation_formalism.git/blob - kinetic_formalism_competition.Rnw
add missing DPPE acronym
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism_competition.Rnw
1 \documentclass[english,12pt]{article}
2 \usepackage{fontspec}
3 \setmainfont{FreeSerif}
4 \setsansfont{FreeSans}
5 \setmonofont{FreeMono}
6 \setmathrm{FreeSerif}
7 \setmathsf{FreeSans}
8 \setmathtt{FreeSerif}
9 \usepackage{fancyhdr}
10 %\usepackage[pdftex]{graphicx}
11 \usepackage{graphicx}
12 \usepackage[bf]{caption}
13 \usepackage{rotating}
14 \usepackage{multirow}
15 %\usepackage{textcomp}
16 %\usepackage{mathrsfs}
17 %\usepackage{amssymb}
18 \usepackage{setspace}
19 %\usepackage{txfonts}
20 %\usepackage[light,all]{draftcopy}
21 \usepackage{acro}
22 \usepackage{array}
23 \usepackage{dcolumn}
24 \usepackage{booktabs}
25 \usepackage[backend=biber,natbib=true,hyperref=true,citestyle=numeric-comp,style=nature,autocite=inline]{biblatex}
26 \addbibresource{references.bib}
27 \usepackage[hyperfigures,bookmarks,colorlinks,citecolor=black,filecolor=black,linkcolor=black,urlcolor=black]{hyperref}
28 \usepackage[noblocks,auth-sc]{authblk}
29 \usepackage[capitalise]{cleveref}
30 \usepackage[markifdraft,raisemark=0.01\paperheight,draft]{gitinfo2}
31 %\usepackage[sectionbib,sort&compress,numbers]{natbib}
32 % \usepackage[nomargin,inline,draft]{fixme}
33 %\usepackage[x11names,svgnames]{xcolor}
34 %\usepackage{texshade}
35 \renewcommand{\textfraction}{0.15}
36 \renewcommand{\topfraction}{0.85}
37 \renewcommand{\bottomfraction}{0.65}
38 \renewcommand{\floatpagefraction}{0.60}
39 %\renewcommand{\baselinestretch}{1.8}
40
41 \newcommand{\DLA}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{DLA: #1}}}
42
43 \newcommand{\RZ}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{RZ: #1}}}
44
45 \newcommand{\OM}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{OM: #1}}}
46
47 \input{acronyms}
48
49 \oddsidemargin 0.0in 
50 \textwidth 6.5in
51 \raggedbottom
52 \clubpenalty = 10000
53 \widowpenalty = 10000
54 \pagestyle{fancy}
55 \title{Kinetic formalism for R-GARD Simulations}
56 \author[1,2]{Don Armstrong}
57 %\ead{don@donarmstrong.com}
58 \author[2]{Raphael Zidovetzki}
59 %\ead{raphael.zidovetzki@ucr.edu}
60 \affil[1]{Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA}
61 \affil[2]{Cell Biology and Neuroscience, University of California at Riverside, Riverside, CA, USA}
62 \affil[ ]{don@donarmstrong.com, raphael.zidovetzki@ucr.edu}
63 %\date{}
64 \onehalfspacing
65 \begin{document}
66 \maketitle
67
68 <<load.libraries,echo=FALSE,results="hide",warning=FALSE,message=FALSE,error=FALSE,cache=FALSE>>=
69 opts_chunk$set(dev="CairoPDF",out.width="\\columnwidth",out.height="0.7\\textheight",out.extra="keepaspectratio")
70 opts_chunk$set(cache=TRUE, autodep=TRUE)
71 options(scipen = -1, digits = 2)
72 library("lattice")
73 library("grid")
74 library("Hmisc")
75 library("gridBase")
76 to.latex <- function(x){
77   gsub("\\\\","\\\\\\\\",latexSN(x))
78 }
79 # R in cal / mol K
80 to.kcal <- function(k,temp=300) {
81   gasconst <- 1.985
82   return(-gasconst*temp*log(k)/1000)
83 }
84
85
86 % \setcounter{figure}{0} \setcounter{table}{0} 
87 \makeatletter
88 \renewcommand{\thefigure}{S\@arabic\c@figure}
89 \renewcommand{\thetable}{S\@arabic\c@table}
90 \makeatother
91
92 % \section{Competition Implementation}
93 % \subsection{Implementation changes}
94
95 % \begin{itemize}
96 % \item settable maximum number of vesicles to track (default $10^4$)
97 % \item start with 1~L ($10^{-3}$~m$^3$) cube
98 % \item if at any point the number of vesicles exceeds the maximum
99 %   number, chop the volume and environment molecule number into tenths,
100 %   randomly select one tenth of the vesicles, and continue tracking.
101 % \item generations will be counted per vesicle, and each progeny
102 %   vesicle will have a generation number one greater than the parental
103 %   vesicle.
104 % \item 100 generations can result in as many as $2^{100}$
105 %   ($\Sexpr{2^100}$) vesicles or as few as
106 %   101 vesicles.
107 % \item Environment will use a specific number of each component instead
108 %   of a constant concentration; as the number may be larger than
109 %   \texttt{long long} ($2^{64}$), we use libgmp to handle an arbitrary
110 %   precision number of components
111 % \end{itemize}
112
113 % \subsection{Infrastructure changes}
114 % \begin{itemize}
115 % \item Rewrite core bits in C
116 % \item Use libgmp for handling large ints
117 % \item Use openmpi to split the calculations out over multiple
118 %   machines/processors and allow deploying to larger
119 %   clusters/supercomputers
120 % \end{itemize}
121
122
123
124 \section{State Equation}
125 % double check this with the bits in the paper
126
127 For a system with monomers $(_\mathrm{monomer})$ and a vesicle
128 $(_\mathrm{vesicle})$, the change in concentration of the $i$th component of
129 a lipid vesicle per change in time ($d \left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]/dt$)
130 can be described by a modification of the basic mass action law:
131
132 \begin{equation}
133   \frac{d \left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]}{dt} = k_{\mathrm{f}i}k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]\left[S_\mathrm{vesicle}\right] -
134   k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]
135   \label{eq:state}
136 \end{equation}
137
138 The base forward kinetic parameter for the $i$th component is $k_{\mathrm{f}i}$
139 and is dependent on the particular lipid type (\ac{PC}, \ac{PS}, \ac{SM}, etc.). The
140 forward adjustment parameter, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$, is based on the
141 properties of the vesicle and the specific component (type, length,
142 unsaturation, etc.) (see \cref{eq:kf_adj,sec:kinetic_adjustments}).
143 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$ is the molar concentration of
144 monomer of the $i$th component. $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$ is the surface
145 area of the vesicle per volume. The base backwards kinetic parameter
146 for the $i$th component is $k_{\mathrm{b}i}$ and its adjustment parameter
147 $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$ (see \cref{eq:kb_adj,sec:kinetic_adjustments}).
148 $\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]$ is the molar concentration of
149 the $i$th component in the vesicle.
150
151 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
152
153 <<kf_prime,echo=FALSE,results='hide'>>=
154 kf.prime <- c(3.7e6,3.7e6,5.1e7,3.7e6,2.3e6)
155 kf <- (as.numeric(kf.prime)*10^-3)/(63e-20*6.022e23)
156
157
158 Each of the 5 lipid types has different kinetic parameters; where
159 available, these were taken from literature (\cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}).
160
161 \begin{table}
162   \centering
163   \begin{tabular}{c c c c c c c c}
164     \toprule
165     Type & $k_\mathrm{f}$ $\left(\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)$ 
166     & $k'_\mathrm{f}$ $\left(\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}\right)$
167     & $k_\mathrm{b}$ $\left(\mathrm{s}^{-1}\right)$ 
168     & Area $\left(\mathrm{Å}^2\right)$ & Charge & $\mathrm{CF}1$ & Curvature \\
169     \midrule
170     PC   & $\Sexpr{kf[1]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $2   \times 10^{-5}$ & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
171     PS   & $\Sexpr{kf[2]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $1.25\times 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
172     CHOL & $\Sexpr{kf[3]}$ & $5.1 \times 10^7$ & $2.8 \times 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
173     SM   & $\Sexpr{kf[4]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $3.1 \times 10^{-3}$ & 61 & 0  & 3  & 0.8  \\
174     PE   & $\Sexpr{kf[5]}$ & $2.3 \times 10^6$ & $1   \times 10^{-5}$ & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
175     \bottomrule
176   \end{tabular}
177   \caption{Kinetic parameters and molecular properties of lipid types}
178   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
179 \end{table}
180
181 %%% \DLA{I think we may just reduce these three sections; area, $k_\mathrm{f}$
182 %%%   and $k_\mathrm{b}$ to \cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types} with
183 %%%   references.}
184 %%% 
185 %%% \RZ{Yes, but we also have to have then as comments the numbers that
186 %%%   are not supported by refs}
187
188 \subsubsection{$k_\mathrm{f}$ for lipid types}
189 $k_{\mathrm{f}_\mathrm{PC}}$ was measured by
190 \citet{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics} and
191 was found to be $3.7\times 10^6$~$\frac{1}{\mathrm{M}\mathrm{s}}$ by the
192 partitioning of \ac{NBDPC} between \ac{DOPC} vesicles and water. As
193 similar references are not available for \ac{SM} or \ac{PS}, we assume that they have
194 the same $k_\mathrm{f}$. For \ac{CHOL}, no direct measurement of $k_\mathrm{f}$ is available,
195 however, \citet{Estronca2007:dhe_kinetics} measured the transfer of
196 \ac{DHE} from \ac{BSA} to \acp{LUV}, and found a $k_\mathrm{f}$ of $5.1\times 10^7$~%
197 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. We assume that this value is close
198 to that of \ac{CHOL}, and use it for $k_{\mathrm{f}_\mathrm{\ac{CHOL}}}$. In the case of
199 \ac{PE}, \citet{Abreu2004:kinetics_ld_lo} measured the association of
200 \ac{NBDDMPE} with \ac{POPC} \acp{LUV} and found a value for $k_\mathrm{f}$ of $2.3 \times 10^{6}$~%
201 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. These three authors used a slightly
202 different kinetic formalism ($\frac{d\left[A_v\right]}{dt} =
203 k'_\mathrm{f}[A_m][L_v] - k_\mathrm{b}[A_v]$), so we correct their values of $k_\mathrm{f}$ by
204 multiplying by the surface area of a mole of lipids.
205
206 \subsubsection{$k_\mathrm{b}$ for lipid types}
207
208 \citet{Wimley1990:dmpc_exchange} measured the half time for the
209 exchange of [$^3$H]\ac{DMPC} between \acp{LUV} at 30\textdegree C, and found it
210 to be 9.6 hr. As this is a first order reaction, and the primary
211 limiting step in exchange is lipid desorption, $k_\mathrm{b}$ for \ac{DMPC} is
212 $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}=\frac{\log 2}{9.6 \times 60 \times 60} \approx
213 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}
214 \mathrm{s}^{-1}$. We assume that $k_\mathrm{b}$ for \ac{SM} is the same as for \ac{PC}.
215 To estimate the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and \ac{PS}, we used the data from
216 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} who measured the rate of
217 exchange of the fluorescent label \ac{C6NBD} attached to different
218 lipid species. Although the values of $k_\mathrm{b}$ are different for the labeled
219 and unlabeled lipids, we assume that the ratios of the kinetics
220 constants for the lipid types are the same. Furthermore we assume that
221 \ac{PG} behaves similarly to \ac{PS}. Thus, we can determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and
222 \ac{PS} from the already known $k_\mathrm{b}$ of \ac{PC}. For \ac{C6NBD} labeled \ac{PC},
223 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} obtained a $k_\mathrm{b}$ of
224 $0.89$~$\mathrm{min}^{-1}$, \ac{PE} of $0.45$~$\mathrm{min}^{-1}$ and PG of
225 $0.55$~$\mathrm{min}^{-1}$. Assuming the ratios of the rate of
226 exchange are the same for unlabeled lipids and labeled lipids, we can
227 determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and \ac{PS} from the already known $k_\mathrm{b}$ of
228 \ac{PC}~\citep{Wimley1990:dmpc_exchange}. Calculating the ratio, this leads
229 us to $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PE}} =
230 \frac{k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}\times\mathrm{PE}}{\mathrm{PC}} \approx
231 \frac{2\times 10^{-5}\,\mathrm{s}^{-1} \times
232   0.45\,\mathrm{min}^{-1}}{0.89\,\mathrm{min}^{-1}} \approx
233 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*0.45/0.89}$~$\mathrm{s}^{-1}$
234 and likewise, $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PS}}\approx
235 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*0.55/0.89}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
236 The $k_\mathrm{b}$ of \ac{SM} was determined using the work of
237 \citet{Bai1997:lipid_movementbodipy}, who measured spontaneous
238 transfer of C$_5$-DMB-SM and C$_5$-DMB-PC from donor and acceptor
239 vesicles, finding $3.4\times10^{-2}$~$\mathrm{s}^{-1}$ and
240 $2.2\times10^{-3}$~$\mathrm{s}^{-1}$ respectively; using the ratio of
241 $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-SM to the $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-PC times the $k_\mathrm{b}$ of
242 \ac{PC} ($\frac{3.4 \times 10^{-2}\mathrm{s}^{-1}}{2.2 \times
243   10^{-3}\mathrm{s}^{-1}}\approx
244 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}\mathrm{s}^{-1}$),
245 we obtain $k_{\mathrm{b}_\mathrm{SM}} \approx
246 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*3.4e-2/2.2e-3}$.
247 In the case of \ac{CHOL}, \citet{Jones1990:lipid_transfer} measured the
248 $t_{1/2}$ of [$^3$H] transfer from POPC vesicles and found it to be 41
249 minutes, leading to a $k_{\mathrm{b}_\mathrm{CHOL}} = \frac{\log 2}{41\times
250   60} \approx
251 \Sexpr{log(2)/(41*60)}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
252
253 \subsubsection{Headgroup Surface Area for lipid types}
254
255 % Smondyrev, A. M., and M. L. Berkowitz. 1999b. United atom force
256 % field for phospholipid membranes: constant pressure molecular
257 % dynamics simulation of dipalmitoylphosphatidicholine/water system.
258 % J. Comput. Chem. 50:531–545.
259
260 Different lipids have different headgroup surface areas, which contributes to
261 $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$. \citet{Smaby1997:pc_area_with_chol}
262 measured the surface area of \ac{POPC} with a Langmuir film balance, and
263 found it to be 63~Å$^2$ at $30$~$\frac{\mathrm{mN}}{\mathrm{m}}$.
264 Molecular dynamic simulations found an area of 54 Å$^2$ for
265 \ac{DPPS}\citep{Cascales1996:mds_dpps_area,Pandit2002:mds_dpps}, which is
266 in agreement with the experimental value of 56~Å$^2$ found using a
267 Langmuir balance by \citet{Demel1987:ps_area}.
268 \citet{Shaikh2002:pe_phase_sm_area} measured the area of \ac{SM} using a
269 Langmuir film balance, and found it to be 61~Å$^2$. Using $^2$H NMR,
270 \citet{Thurmond1991:area_of_pc_pe_2hnmr} found the area of
271 \ac{DPPE}-d$_{62}$ to be 55.4 Å$^2$. \citet{Robinson1995:mds_chol_area}
272 found an area for \ac{CHOL} of 38~Å$^2$ using molecular dynamic
273 simulations.
274
275 % robinson's chol area is kind of crappy; they did it using MDS, but
276 % vaguely; they don't indicate what it was at the end, and they only
277 % had 2 molecules of \ac{CHOL}.
278
279
280
281 % \ac{PC}: 63 A (Smaby97rd) (Pandit (?)
282 % \ac{PS}: 54 A (Pandit02LIB) (Cascales 1996; J. Chem. Phys 104:2713, Mukhopadhyay2004)
283 % \ac{CHOL}:  38 A (Robinson 1995) (Lundberg 1982)
284 % \ac{SM}: 51 A (Shaikh2002, but 61(?))
285 % PE: 55 A (Thurmond, 1991) (Pandit2002)
286
287 % Compare to results by Petrache2004 with DOPC of 72.5, DOPS of 65.3.
288
289 % The cross‑sectional area of cholesterol is ~37 ֵ2 (Lundberg, B. 1982. A
290 % surface film study of the lateral packing of phosphatidylcholine and
291 % cholesterol. Chem. Phys. Lipids. 31:23-32).
292
293 % From Pandit02LIB: the area per headgroup for PE is ~10‑20\% (Thurmond
294 % et al., 1991) smaller than the area per PC molecule. For DLPE, it is
295 % 50.6 ֵ2 (McIntosh and Simon, 1986; Damodaran et al., 1992). The
296 % estimated area per molecule for DPPE is ~55.4 ֵ2 (Thurmond et al.,
297 % 1991).
298
299 % From Pandit02LIB: (from their simulations) average area per headgroup
300 % for DPPS molecules is 53.75 ± 0.10 ֵ2. The values inferred from the
301 % experiments are in the region between 45 and 55 ֵ2 (Cevc et al., 1981.
302 % Titration of the phase transition of phosphatidylserine bilayer
303 % membranes. Effect of pH, surface electrostatics, ion binding, and
304 % head‑group hydration. Biochemistry. 20:4955‑4965; | Demel et al.,
305 % 1987. Monolayer characteristics and thermal behavior of natural and
306 % synthetic phosphatidylserines. Biochemistry. 26:8659‑8665). Note that
307 % the average area per headgroup for DPPC bilayer obtained from
308 % simulations and measurements is ~62 ֵ A2. One would expect that the
309 % area per headgroup in case of DPPS molecules will be larger than the
310 % area per DPPC molecule, because the headgroups of DPPS are charged and
311 % therefore repel each other. Contrary to this expectation, the area per
312 % headgroup in DPPS is ~13\% smaller than that of DPPC. López Cascales
313 % et al. (1996. Molecular dynamics simulation of a charged biological
314 % membrane. J. Chem. Phys. 104:2713‑2720.) proposed that this reduction
315 % in the area per headgroup is due to a strong intermolecular
316 % coordination between DPPS molecules. MD gave area per POPS of 55 A2 at
317 % 300K (Mukhopadhyay04LIB).
318
319 % However, by 2H NMR and X-ray, Petrache04LIB determined the area of
320 % DOPS at 30 C to be 65.3 A2, considerably smaller than DOPC, determined
321 % by the same group in another paper to be 72.5 ֵ A2
322 % (Tristram‑Nagle00LIB).
323
324 % From Shaikh02: At 35 mN/m of surface pressure, the areas/molecule for
325 % POPE, SM, and CHOL were found to be 65.2, 61.1, and 38.8 Å2.
326
327 % In Lonchin99: POPC area 72 A2 ((a) Cornell, B. A.; Middlehurst, J.;
328 % Separovic, F. Biochim. Biophys. Acta1980, 598, 405−410), oleic acid
329 % area 32 A2 ((a) Small, D. M. In Handbook of Lipid Research; Hanahan,
330 % D. J., Ed.; Plenum Press:  New York, 1986; Vol. 4, Chapter 9.
331
332 % (b) Jain, M. K. Introduction to Biological Membranes, 2nd ed.; John
333 % Wiley \& Sons:  New York, 1988; Chapter 3). Cistola, D. P.; Atkinson,
334 % D.; Hamilton, J. A.; Small, D. M. Biochemistry1986, 25, 2804−2812.
335
336 % From Marsh96: The values obtained for the headgroup area per molecule,
337 % fitted as free parameters in Fig. 6, are APE = 58 A2 and APC = 78 A2,
338 % for DOPE and DOPC, respectively. These values are within the range
339 % obtained for the corresponding areas per molecule of
340 % phosphatidylethanolamines and phosphatidylcholines in the fluid
341 % lamellar phase (see, e.g., Marsh, 1990), and correspond to values for
342 % the lipid packing parameter of V/Al = 1.08 and 1.34 for DOPC and DOPE,
343 % respectively. The former value is consistent with DOPC alone forming
344 % hydrated lamellar structures rather than nonlamellar structures. The
345 % latter value lies at the lower end of the packing parameters obtained
346 % for phosphatidylethanolamines.
347
348 % From Kumar91: The head group area chosen was 71.7 A2 for PC and
349 % lysoPC, 42 A2 for PE, and 19 A2 for Chol (5, 14). The value selected
350 % for PC is in agreement with the 71 A2 value determined for PCs with
351 % saturated acyl chains (14). The hydrocarbon volume and the length
352 % chosen for Chol are 400 A3 and 17.25 A, respectively (5).
353
354
355
356 % From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
357 % association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
358 % are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
359 % in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
360 % association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
361 % {indeed; everything is k- !!!; rz}
362
363 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
364 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
365 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
366 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
367 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
368 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
369 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
370 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
371 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
372
373 % From Toyota08: Recently, several research groups have reported
374 % self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
375 % sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
376 % chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
377 % vesicles.44-47
378
379 % Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
380 % Thomas02.
381
382 % From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
383 % composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
384 % size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
385
386 % From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
387 % between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
388 % 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
389 % molecules between a donor and an acceptor population. The measured
390 % efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
391 % first order processes. In all of this work, the insertion rate has
392 % been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
393 % both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
394 % association with membranes, our results show that this assumption is
395 % valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
396 % constant was assumed, although never demonstrated, to be a
397 % diffusion-controlled process.
398
399 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
400 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
401 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
402 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
403 %   kcal/mol; rz}).
404
405 % Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
406 % would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
407 % 1500.
408
409 % Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
410 % although membrane curvature does have a small effect on the absolute
411 % rates of FA transfer between vesicles, the ΔG of membrane desorption
412 % is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
413 % govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
414 % than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
415 % issue continue (57, 61, 63, 64)
416
417 % (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
418 % transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
419 % depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
420 % is much slower from LUV as compared to SUV).
421
422 % From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
423 % unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
424 % rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
425 % (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
426 %   estimation of k- rz; 8/11/08}.
427
428 \subsubsection{Complex Formation 1}
429
430 \citet{Thomas1988:chol_transfer} found that \ac{SM} significantly decreases
431 the rate of cholesterol transfer from \ac{PC}, while \ac{PE} and \ac{PS} have no
432 effect at physiologically significant levels. We attribute this to the
433 formation of complexes between \ac{SM} and \ac{CHOL}, which retards the rate of
434 efflux of \ac{CHOL} from the membrane. Similar complexes exist between \ac{PC}
435 and \ac{CHOL}, where it was shown that two \ac{CHOL} molecules complex with one
436 \ac{PC}~\citep{Huang1999:chol_solubility_model,
437   Huang1999:cholesterol_solubility,McConnell2006,McConnell2003}. It
438 has also been shown that \ac{SM} binds more \ac{CHOL} molecules than
439 \ac{PC}~\citep{Katz1988:pl_packing_chol}. We assume that three \ac{CHOL} complex
440 with one \ac{SM}, leading to $\mathrm{CF}1$ values of $3$, $2$, and $-1$
441 for \ac{SM}, \ac{PC}, and \ac{CHOL}, respectively.
442
443 \subsubsection{Curvature}
444
445 We used the formulation for curvature of
446 \citet{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}, or $S=\frac{v}{l_c
447   a}$, where $S$ is the curvature, which ranges from $0$ to $\infty$,
448 $l_c$ is the critical length of the acyl chain, $v$ is the volume of
449 the lipid, and $a$ is the area of the head group.
450 \citet{Kumar1991:lipid_packing} found a value for $S$ of 1.33 for PE,
451 1.21 for \ac{CHOL}, and 0.8 for diC$_{16}$ \ac{PC}. We assume that \ac{PS} has neutral
452 curvature (value of 1), and that \ac{SM} has the same curvature as \ac{PC}
453 (0.8). It should also be noted that in reality the curvature parameter
454 changes with length, but at longer chain lengths, is effectively
455 constant; in the current model, curvature is held constant for each
456 species.
457
458
459 % 1. Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J. & Ninham, B. W. (1976) J.
460 %    Chem. Soc. Faraday Trans. 2 72, 1525-1568.
461 % 2. Israelachvili, J. N., Marcelja, S. & Horn, R. G. (1980) Q. Rev.
462 %    Biophys. 13, 121-200.
463 % 3. Israelachvili, J. N. (1985) Intermolecular and Surface Forces
464 %    (Academic, New York), pp. 229-271.
465
466 % \DLA{This section needs to be added still.}
467
468 % PE = 1.33     (Kumar91)
469 % CHOL = 1.21           (Kumar91)
470 % PC=0.8        (Kumar91)
471 % SM=0.8        (assumed by rz same as PC)
472 % PS=1          (no refs so far; should be close to unity; rz)
473
474 % From Epand94LIB: a considerable amount of heat is evolved per mole of
475 % bilayer stabilizer when such molecules are inserted into membranes
476 % which are under a high curvature strain. If this energy were coupled
477 % to a membrane event, such as the conformational change in a protein,
478 % it could be the driving force responsible for such processes.
479
480 % From Epand94LIB: considerable energy may be released upon the
481 % incorporation of certain molecules into membranes which have a low
482 % radius of spontaneous curvature. {discuss with DL in terms of
483 %   catalytic activity; rz; 8/24/2010}.
484
485 % Kleinfeld93 showed that the transfer parameters of long-chain FFA
486 % between the lipid vesicles depend on vesicle curvature and
487 % composition. Transfer of stearic acid is much slower from LUV as
488 % compared to SUV.
489
490 % Substitution of DPPC SUV for POPC SUV as the donor matrix revealed
491 % some differences in the energetics of transfer that are associated
492 % with the physical state of the donor particle. Whereas the free
493 % energies of transfer of oleic acid from DPPC SUV and POPC SUV are
494 % similar, the free energy of transfer of stearic acid from DPPC SUV is
495 % much higher than that observed from POPC.
496
497 % From Kumar91: S is given by S = V/al, where V is the hydrocarbon
498 % volume, a is the area of head group, and l is the critical length of
499 % the hydrocarbon chain (1-3). a, V, and I are all estimable or
500 % measurable (4), and the value of S can be calculated. The value of S
501 % determines the aggregate formed by lipids or any amphiphiles upon
502 % hydration. It has been shown that lipids aggregate to form spherical
503 % micelles (S < 1/3), nonspherical (cylindrical) micelles (1/3 < S <
504 % 1/2), bilayers (1/2 < S < 1), and reverse micelles or hexagonal (HII,)
505 % phases (S > 1). However, theoreticians caution that the above
506 % predicted limits set on the values of S are relatively insensitive to
507 % the exact values of V and a but are strongly dependent upon the choice
508 % of l (5).
509
510 % From Kumar91: Cylindrical and wedge-shaped molecules have been shown
511 % to be essential for spontaneous vesiculation (6) as well as bilayer
512 % stabilization (7, 8).
513
514 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
515 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
516 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
517 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
518 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
519 %   cones; rz}
520
521 \section{Kinetic adjustments}
522 \label{sec:kinetic_adjustments}
523
524 In the mass action equation used in the formalism, both the forward
525 and backwards kinetic constants ($k_\mathrm{f}$ and $k_\mathrm{b}$) are adjusted (by
526 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ and $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$) to reflect the
527 properties of the vesicle and the properties of the monomer entering
528 or exiting the vesicle.
529
530 \subsection{Forward Kinetic Adjustments}
531
532 The forward rate constant adjustment, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ takes into
533 account unsaturation ($un_\mathrm{f}$), charge ($ch_\mathrm{f}$), curvature ($cu_\mathrm{f}$),
534 length ($l_\mathrm{f}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{f}$), each of which is
535 modified depending on the specific component and the vesicle into
536 which the component is entering; the final $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is the
537 product of the adjustments made separately for each property.
538
539 \begin{equation}
540   k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}} = un_\mathrm{f} \cdot ch_\mathrm{f} \cdot cu_\mathrm{f} \cdot l_\mathrm{f} \cdot CF1_\mathrm{f}
541   \label{eq:kf_adj}
542 \end{equation}
543
544 \subsubsection{Unsaturation Forward}
545
546 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
547 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
548 unsaturated and saturated lipids forming heterogeneous domains. Void
549 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
550 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
551 the membrane is greater when the standard deviation of the
552 unsaturation is larger. %
553 %%% \RZ{May need to site (at least for us) works showing
554 %%%   mismatch-dependent ``defects''}. %
555 Assuming that an increase in width of the distribution linearly
556 decreases the free energy of activation, the $un_\mathrm{f}$ parameter must
557 follow $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}$ where $a > 1$,
558 so a convenient starting base for $a$ which leads to a reasonable
559 change in Eyring activation energy is $2$:
560
561 \begin{equation}
562   un_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}
563   \label{eq:unsaturation_forward}
564 \end{equation}
565
566 The mean $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$ in our
567 simulations is around $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta
568 G^\ddagger$ of $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,to.kcal(2^1.5)))}
569 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and a total range of possible
570 values depicted in \cref{fig:unf_graph}.
571
572 % \RZ{Explain here, or even earlier that the formulas were ad hoc
573 %   adjusted to correspond to ``reasonable'' changes in the Eyring
574 %   activation energies.}
575
576 % It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
577 % affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
578 % not include a term for it in this formalism.
579
580
581 \begin{figure}
582 <<unf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=10,fig.height=5,cache=FALSE>>=
583 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
584 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
585       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
586       ylab=expression(italic(un[f])))
587 vps <- baseViewports()
588 pushViewport(vps$figure)
589 grid.text("A",
590           just=c("left","top"),
591           gp=gpar(fontsize=48),
592           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
593           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
594 popViewport()
595 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
596       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
597       ylab="Activation Energy (kcal/mol)")
598 vps <- baseViewports()
599 pushViewport(vps$figure)
600 grid.text("B",
601           just=c("left","top"),
602           gp=gpar(fontsize=48),
603           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
604           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
605 popViewport()
606
607 \caption{Change in unsaturation forward ($un_\mathrm{f}$) (A) or activation
608   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
609   standard deviation of the unsaturation of the vesicle
610   ($\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$).}
611 \label{fig:unf_graph}
612 \end{figure}
613
614 \subsubsection{Charge Forward}
615
616 A charged lipid such as \ac{PS} approaching a vesicle with an average
617 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
618 different signs will experience attraction, the degree of which is
619 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
620 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
621 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
622 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$ (which is similar to
623 the numerator of Coulomb's law), where $\left<ch_v\right>$ is the
624 average charge of the vesicle, and $ch_m$ is the charge of the
625 monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$ is 0, the adjustment
626 parameter is 1 (no change), whereas it decreases if both are positive
627 or negative, as the product of two real numbers with the same sign is
628 always positive. The base for $a$ ($60$) was chosen ad hoc to
629 correspond to a maximum of about
630 $0.5\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ change in activation energy
631 for the common case, resulting in the following equation:
632
633
634 \begin{equation}
635   ch_\mathrm{f} = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
636   \label{eq:charge_forward}
637 \end{equation}
638
639 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads
640 to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
641 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
642 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to
643 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and the total range of possible
644 values seen in \cref{fig:chf_graph}.
645
646
647 \begin{figure}
648 <<chf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
649 trellis.device(new=F,color=TRUE)
650 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
651 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
652 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
653 x <- seq(-1,0,length.out=20)
654 y <- seq(-1,0,length.out=20)
655 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
656 grid$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
657 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
658                 drape=TRUE,
659                 box=NA,
660                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
661                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
662                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
663                 zlab=list(label=expression(italic(ch[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
664 rm(x,y,grid)
665 grid.text("A",
666           just=c("left","top"),
667           gp=gpar(fontsize=48),
668           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
669           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
670 popViewport(1)
671 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
672 x <- seq(-1,0,length.out=20)
673 y <- seq(-1,0,length.out=20)
674 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
675 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
676 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
677                 drape=TRUE,
678                 strip=FALSE,
679                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
680                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
681                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
682                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
683 rm(x,y,grid)
684 grid.text("B",
685           just=c("left","top"),
686           gp=gpar(fontsize=48),
687           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
688           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
689 popViewport(2)
690
691 \caption{Change in charge forward ($ch_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
692   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
693   monomer entering ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
694   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
695 \label{fig:chf_graph}
696 \end{figure}
697
698 \subsubsection{Curvature Forward}
699
700 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
701 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
702 curvature), or planar sheets (neutral
703 curvature)~\citep{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}. %
704 In this formalism, curvature is measured as the ratio of the volume of
705 the lipid to the area of the head times the length of the lipid
706 ($S=\frac{v}{l_c a}$), so negative curvature is bounded by $(0,1)$,
707 neutral curvature is 1, and positive curvature is bounded by
708 $(1,\infty)$. The curvature can be transformed using $\log$, which has
709 the property of making the range of positive and negative curvature
710 equal, and distributed about 0.
711
712 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
713 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
714 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
715 insertion into the vesicle. However, a component with curvature
716 $cu^{-1}$ will cancel out a component with curvature $cu$, so we have
717 to log transform (turning these into $-\log cu$ and $\log cu$), then
718 take the absolute value ($\log cu$ and $\log cu$), and finally measure
719 the width of the distribution, which in the case of exactly mismatched
720 curvatures is $0$. Thus, by using the log transform to make the range
721 of the lipid curvature equal between positive and negative, and taking
722 the average to cancel out exactly mismatched curvatures, we come to an
723 equation with the shape $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$.
724 An ad hoc base for $a$ which for the common case is $10$, yielding:
725
726
727 \begin{equation}
728  % cu_\mathrm{f} = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
729   cu_\mathrm{f} = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{monomer} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
730   \label{eq:curvature_forward}
731 \end{equation}
732
733 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
734 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
735 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
736 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
737 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
738 relatively matched curvatures in our environment. The full range of
739 $cu_\mathrm{f}$ values possible are shown in \cref{fig:cuf_graph}.
740
741 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
742 \begin{figure}
743 <<cuf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
744 trellis.device(new=F,color=TRUE)
745 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
746 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
747 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
748 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
749                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),
750                       sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
751                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
752                       mean(log(c(1,0.33))),
753                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
754 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
755 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
756                 drape=TRUE,
757                 box=NA,
758                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
759                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
760                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
761                 zlab=list(label=expression(italic(cu[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
762 rm(grid)
763 grid.text("A",
764           just=c("left","top"),
765           gp=gpar(fontsize=48),
766           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
767           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
768 popViewport(1)
769 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
770 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
771                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
772                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
773                       mean(log(c(1,0.33))),
774                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
775 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
776 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
777                 drape=TRUE,
778                 box=NA,
779                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
780                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
781                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
782                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
783 rm(grid)
784 grid.text("B",
785           just=c("left","top"),
786           gp=gpar(fontsize=48),
787           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
788           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
789 popViewport(2)
790
791 \caption{Change in curvature forward ($cu_\mathrm{f}$) (A) or activation energy
792   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
793   deviation of the log of the curvature of the vesicle
794   ($\mathrm{stdev}\left(\log cu_\mathrm{vesicle}\right)$) and the mean
795   of the log of the curvature of the vesicle ($\left<\log
796     cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
797 \label{fig:cuf_graph}
798 \end{figure}
799
800 \subsubsection{Length Forward}
801
802 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
803 are made up of components of mismatched lengths. Thus, when the width
804 of the distribution of lengths is larger, the forward rate should be
805 greater as well, leading us to an equation of the form
806 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}$, where $\mathrm{stdev}
807 l_\mathrm{vesicle}$ is the standard deviation of the length of the
808 components of the vesicle, which has a maximum possible value of
809 $\Sexpr{format(digits=3,sd(c(rep(12,50),rep(24,50))))}$ and a minimum
810 of 0 in this set of simulations. Based on activation energy, a
811 reasonable base for $x$ is 2, leading to:
812
813 \begin{equation}
814   l_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}
815   \label{eq:length_forward}
816 \end{equation}
817
818 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}$ is around $3.4$, which leads to
819 a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
820 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
821 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
822
823 % While it could be argued that increased length of the monomer could
824 % affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
825 % it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
826 % bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
827 % insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
828 % degree, so we do not take it into account in this formalism.
829
830 % \DLA{Incorporate McLean84 here}
831 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
832 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
833 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
834 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
835 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
836 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
837 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
838 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
839 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
840
841 % From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
842 % decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
843 % chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
844 %   rz 8/17/2010}.
845
846 % From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
847 % with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
848 % (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
849 %   formula; rz 8/17/2010}.
850
851 % From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
852 % chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
853
854
855
856 \begin{figure}
857 <<lf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=5>>=
858 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
859 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
860       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
861       ylab=expression(italic(l[f])),
862       las=1
863       )
864 vps <- baseViewports()
865 pushViewport(vps$figure)
866 grid.text("A",
867           just=c("left","top"),
868           gp=gpar(fontsize=48),
869           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
870           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
871 popViewport()
872 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
873       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
874       ylab="Activation Energy (kcal/mol)",
875       las=1)
876 vps <- baseViewports()
877 pushViewport(vps$figure)
878 grid.text("B",
879           just=c("left","top"),
880           gp=gpar(fontsize=48),
881           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
882           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
883 popViewport()
884
885 \caption{Change in length forward ($l_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
886   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
887   deviation of the length of the vesicle
888   ($\mathrm{stdev}\left(l_\mathrm{vesicle}\right)$).}
889 \label{fig:lf_graph}
890 \end{figure}
891
892 \subsubsection{Complex Formation}
893 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
894 rate in the current formalism.
895
896 \begin{equation}
897   CF1_\mathrm{f}=1
898   \label{eq:complex_formation_forward}
899 \end{equation}
900
901 \subsection{Backward adjustments ($k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$)}
902
903 Just as the forward rate constant adjustment $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$
904 does, the backwards rate constant adjustment $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$
905 takes into account unsaturation ($un_\mathrm{b}$), charge ($ch_\mathrm{b}$), curvature
906 ($cu_\mathrm{b}$), length ($l_\mathrm{b}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{b}$), each of
907 which is modified depending on the specific component and the vesicle
908 from which the component is exiting:
909
910
911 \begin{equation}
912   k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}} = un_\mathrm{b} \cdot ch_\mathrm{b} \cdot cu_\mathrm{b} \cdot l_\mathrm{b} \cdot CF1_\mathrm{b}
913   \label{eq:kb_adj}
914 \end{equation}
915
916 \subsubsection{Unsaturation Backward}
917
918 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
919 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
920 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
921 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
922 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
923 with some unsaturation (eg. average unsaturation of 2) is more
924 favorable for lipids with more unsaturation (eg. 3) than lipids with
925 equivalently less unsaturation (eg. 1), so the difference in energy
926 between unsaturation is not linear. Therefore, an equation with the
927 shape $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{vesicle}\right>
928     }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$, where
929 $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is the average unsaturation of the
930 vesicle and $un_\mathrm{monomer}$ is the unsaturation of the monomer,
931 allows for increasing the efflux of molecules from membranes where
932 they strongly mismatch, while allowing vesicles with greater
933 unsaturation to tolerate greater unsaturation mismatch between
934 monomers and the vesicle. The bases x and y were chosen ad hoc to
935 produce reasonable Eyring energies of activation over the range of
936 unsaturations expected, leading to:
937
938
939 \begin{equation}
940   un_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
941   \label{eq:unsaturation_backward}
942 \end{equation}
943
944 The most common $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $1.7$, which
945 leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
946 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
947 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
948 to
949 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
950 for monomers with 4 unsaturations. See \cref{fig:unb_graph} for
951 the full range of possible values.
952
953
954 \begin{figure}
955 <<unb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
956 trellis.device(new=F,color=TRUE)
957 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
958 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
959 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
960 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
961                     y=seq(0,4,length.out=20))
962 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
963 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
964                 drape=TRUE,
965                 box=NA,
966                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
967                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
968                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
969                 zlab=list(label=expression(italic(un[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
970 grid.text("A",
971           just=c("left","top"),
972           gp=gpar(fontsize=48),
973           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
974           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
975 popViewport(1)
976 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
977 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
978                     y=seq(0,4,length.out=20))
979 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
980 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
981                 drape=TRUE,
982                 strip=FALSE,
983                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
984                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
985                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
986                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
987 rm(grid)
988 grid.text("B",
989           just=c("left","top"),
990           gp=gpar(fontsize=48),
991           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
992           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
993 popViewport(2)
994
995 \caption{Change in unsaturation backward ($un_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
996   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the unsaturation of the
997   monomer leaving ($un_\mathrm{monomer}$) and the average unsaturation of
998   the vesicle ($\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$).}
999 \label{fig:unb_graph}
1000 \end{figure}
1001
1002 \subsubsection{Charge Backwards}
1003 As in the case of monomers entering a vesicle, opposites attract.
1004 Monomers leaving a vesicle leave faster if their charge has the same
1005 sign as the average charge vesicle. An equation of the form
1006 $ch_\mathrm{b} = a^{\left<ch_v\right> ch_m}$ is then appropriate, and
1007 using a base of $a=20$ yields:
1008
1009 \begin{equation}
1010   ch_\mathrm{b} = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
1011   \label{eq:charge_backwards}
1012 \end{equation}
1013
1014 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
1015 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1016 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
1017 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
1018 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $0$.
1019 See \cref{fig:chb_graph} for the full range of possible values
1020 of $ch_\mathrm{b}$.
1021
1022
1023 \begin{figure}
1024 <<chb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1025 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1026 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1027 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1028 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1029 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1030 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1031 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1032 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
1033 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1034                 drape=TRUE,
1035                 box=NA,
1036                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1037                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1038                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1039                 zlab=list(label=expression(italic(ch[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1040 rm(x,y,grid)
1041 grid.text("A",
1042           just=c("left","top"),
1043           gp=gpar(fontsize=48),
1044           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1045           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1046 popViewport(1)
1047 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1048 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1049 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1050 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1051 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
1052 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1053                 drape=TRUE,
1054                 strip=FALSE,
1055                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1056                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1057                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1058                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1059 rm(x,y,grid)
1060 grid.text("B",
1061           just=c("left","top"),
1062           gp=gpar(fontsize=48),
1063           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1064           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1065 popViewport(2)
1066
1067 \caption{Change in charge backward ($ch_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
1068   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
1069   monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
1070   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1071 \label{fig:chb_graph}
1072 \end{figure}
1073
1074
1075 \subsubsection{Curvature Backwards}
1076
1077 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
1078 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
1079 the curvatures match exactly, $cu_\mathrm{f}$ needs to be one. To map negative and
1080 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
1081 Positive ($cu > 1$) and negative ($0 < cu < 1$) curvature lipids cancel each other out,
1082 resulting in an average curvature of 1; the average of the log also
1083 has this property (average curvature of 0). Increasing mismatches in curvature increase the
1084 rate of efflux, but asymptotically. An equation which satisfies these
1085 criteria has the form $cu_\mathrm{f} = a^{1-\left(b\left( \left< \log
1086         cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log
1087       cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An alternative
1088 form would use the absolute value of the difference, however, this
1089 yields a cusp and sharp increase about the curvature equilibrium. We
1090 have chosen bases of $a=7$ and $b=20$ ad hoc, based on activation
1091 energy considerations.
1092
1093 \begin{equation}
1094   cu_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
1095   \label{eq:curvature_backwards}
1096 \end{equation}
1097
1098 The most common $\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$ is around
1099 $-0.013$, which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1100 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
1101 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8 to
1102 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature
1103 near 1
1104 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1105 for monomers with curvature 1.3. The full range of values possible for
1106 $cu_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:cub_graph}.
1107
1108 % \RZ{What about the opposite curvatures that actually do fit to each
1109 %   other?}
1110
1111
1112 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
1113 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
1114 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
1115 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
1116 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
1117 %   cones; rz}
1118
1119
1120 \begin{figure}
1121 <<cub_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1122 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1123 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1124 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1125 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1126 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1127                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1128 grid$z <- 7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1))
1129 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1130                 drape=TRUE,
1131                 box=NA,
1132                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1133                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1134                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1135                 zlab=list(label=expression(italic(cu[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1136 rm(grid)
1137 grid.text("A",
1138           just=c("left","top"),
1139           gp=gpar(fontsize=48),
1140           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1141           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1142 popViewport(1)
1143 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1144 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1145                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1146 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1)))
1147 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1148                 drape=TRUE,
1149                 strip=FALSE,
1150                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1151                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1152                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1153                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1154 rm(grid)
1155 grid.text("B",
1156           just=c("left","top"),
1157           gp=gpar(fontsize=48),
1158           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1159           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1160 popViewport(2)
1161
1162 \caption{Change in curvature backward ($cu_\mathrm{b}$) (A) or activation
1163   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
1164   curvature of the monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the
1165   average of the log of the curvature of the vesicle
1166   ($\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1167 \label{fig:cub_graph}
1168 \end{figure}
1169
1170
1171 \subsubsection{Length Backwards}
1172
1173 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
1174 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length~%
1175 \citep{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics}.
1176 Unfortunately, the experimental data known to us only measures the
1177 effect of chain lengths less than or equal to the bulk lipid, not the
1178 effect of lengths exceeding it, and is only known for one bulk lipid
1179 component (DOPC). We assume then, that the increase is in relationship
1180 to the average vesicle, and that lipids with larger acyl chain length
1181 will also show an increase in their dissociation constant.
1182
1183 \begin{equation}
1184   l_\mathrm{b} = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{vesicle}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
1185   \label{eq:length_backward}
1186 \end{equation}
1187
1188 The most common $\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $17.75$,
1189 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1190 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
1191 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12 
1192 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1193 for monomers with length near 18 to
1194 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1195 for monomers with length 24. The full range of possible values of
1196 $l_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:lb_graph}.
1197
1198 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
1199 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
1200 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. \RZ{see if we can use it
1201 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
1202 %   kcal/mol}).
1203
1204
1205 \begin{figure}
1206 <<lb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1207 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1208 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1209 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1210 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1211 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1212                     y=seq(12,24,length.out=20))
1213 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))/1e6
1214 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1215                 drape=TRUE,
1216                 box=NA,
1217                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1218                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1219                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1220                 zlab=list(label=expression(italic(l[b])%*%10^-6),rot=93)),newpage=FALSE)
1221 rm(grid)
1222 grid.text("A",
1223           just=c("left","top"),
1224           gp=gpar(fontsize=48),
1225           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1226           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1227 popViewport(1)
1228 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1229 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1230                     y=seq(12,24,length.out=20))
1231 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
1232 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1233                 drape=TRUE,
1234                 strip=FALSE,
1235                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1236                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1237                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1238                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1239 rm(grid)
1240 grid.text("B",
1241           just=c("left","top"),
1242           gp=gpar(fontsize=48),
1243           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1244           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1245 popViewport(2)
1246
1247 \caption{Change in length backwards ($l_\mathrm{b}\times 10^{-6}$) (A) or activation energy
1248   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the length of the
1249   monomer leaving ($l_\mathrm{monomer}$) and the average length of
1250   lipids in the vesicle ($\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1251 \label{fig:lb_graph}
1252 \end{figure}
1253
1254
1255 \subsubsection{Complex Formation Backward}
1256
1257 Complex formation ($CF1$) describes the interaction between \ac{CHOL} and
1258 \ac{PC} or \ac{SM}, where \ac{PC} or \ac{SM} protects the hydroxyl group of \ac{CHOL} from
1259 interactions with water %
1260 \citep{Huang1999:chol_solubility_model,
1261   Huang1999:cholesterol_solubility, McConnell2006, McConnell2003}%
1262 . \ac{PC} ($CF1=2$) can interact with two \ac{CHOL}, and \ac{SM} ($CF1=3$) with three
1263 \ac{CHOL} ($CF1=-1$). If the average of $CF1$ is positive (excess of \ac{SM} and
1264 \ac{PC} with regards to complex formation), components with negative $CF1$
1265 (\ac{CHOL}) will be retained. If average $CF1$ is negative, components with
1266 positive $CF1$ are retained. An equation which has this property is
1267 $CF1_\mathrm{b}=a^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1268   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1269     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
1270 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the component have the same
1271 sign, or double the product if the signs are different. Based on
1272 activation energy considerations, we took an ad hoc base for $a$ as
1273 $1.5$.
1274
1275
1276 \begin{equation}
1277   CF1_\mathrm{b}=1.5^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
1278   \label{eq:complex_formation_backward}
1279 \end{equation}
1280
1281 The most common $\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $0.925$,
1282 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1283 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
1284 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1285 formation $-1$ to
1286 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1287 for monomers with complex formation $2$ to
1288 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1289 formation $0$. The full range of possible values for $CF1_\mathrm{b}$ are
1290 depicted in \cref{fig:cf1b_graph}.
1291
1292
1293
1294 \begin{figure}
1295 <<cf1b_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1296 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1297 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1298 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1299 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1300 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1301                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1302 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
1303 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1304                 drape=TRUE,
1305                 box=NA,
1306                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1307                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1308                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1309                 zlab=list(label=expression(italic(CF1[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1310 rm(grid)
1311 grid.text("A",
1312           just=c("left","top"),
1313           gp=gpar(fontsize=48),
1314           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1315           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1316 popViewport(1)
1317 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1318 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1319                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1320 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
1321 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1322                 drape=TRUE,
1323                 strip=FALSE,
1324                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1325                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1326                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1327                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1328 rm(grid)
1329 grid.text("B",
1330           just=c("left","top"),
1331           gp=gpar(fontsize=48),
1332           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1333           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1334 popViewport(2)
1335
1336 \caption{Change in complex formation 1 backwards ($CF1_\mathrm{b}$) (A) or
1337   activation energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus
1338   the complex formation of the monomer leaving
1339   ($CF1_\mathrm{monomer}$) and the average complex formation of the
1340   vesicle ($\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1341 \label{fig:cf1b_graph}
1342 \end{figure}
1343
1344 \section{Simulation Methodology}
1345
1346 \subsection{Overall Architecture}
1347
1348 The simulations are currently run using a program written in perl with
1349 various modules to handle the subsidiary parts. It produces output for
1350 each generation, including the step immediately preceding and
1351 immediately following a vesicle split (and optionally, each step) that
1352 is written to a state file which contains the state of the vesicle,
1353 environment, kinetic parameters, program invocation options, time, and
1354 various other parameters necessary to recreate the state vector at a
1355 given time. This output file is then read by a separate program in
1356 perl to produce different output which is generated out-of-band;
1357 output which includes graphs and statistical analysis is performed
1358 using R~\citep{R:maincite} (and various grid graphics modules) called
1359 from the perl program.
1360
1361 The separation of simulation and output generation allows refining
1362 output, and simulations performed on different versions of the
1363 underlying code to be compared using the same analysis methods and
1364 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
1365 generation, utilizing the same environment.
1366
1367 Random variables of different distributions are calculated using
1368 Math::Random (0.71), which is seeded for each run using entropy from
1369 the linux kernel's urandom device.
1370
1371 Code is available upon request.
1372
1373 \subsection{Environment Creation}
1374
1375 \subsubsection{Components}
1376 The environment contains concentrations of components. In the current
1377 set of simulations, there are \Sexpr{1+4*5*7} different possible
1378 components, consisting of \ac{PC}, PE, \ac{PS}, \ac{SM}, and \ac{CHOL}, with all lipids
1379 except for \ac{CHOL} having 5 possible unsaturations ranging from 0 to 4,
1380 and 7 lengths from $12,14,...,22$ ($7\cdot
1381 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment has less
1382 than the maximum number of components, the components are selected in
1383 order without replacement from a randomly shuffled deck of components
1384 (with the exception of \ac{CHOL}) represented once until the desired number
1385 of unique components is obtained. \ac{CHOL} is overrepresented
1386 $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid types, ensuring
1387 that the probability of \ac{CHOL} being absent in the environment is the
1388 same as the probability of any one of the other lipid types (\ac{PS}, PE,
1389 etc.) being absent. This reduces the number of simulations with a
1390 small number of components which are devoid of \ac{CHOL}.
1391
1392 \subsubsection{Concentrations}
1393 Once the components of the environment have been selected, their
1394 concentrations are determined. In experiments where the environmental
1395 concentration is the same across all lipid components, the
1396 concentration is set to $10^{-10}$~M. In other cases, the
1397 environmental concentration is set to a random number from a gamma
1398 distribution with shape parameter 2 and an average of
1399 $10^{-10}$~M. The base concentration ($10^{-10}$~M)
1400 can also be altered at the initialization of the experiment to
1401 specific values for specific lipid types or components.
1402
1403 The environment is a volume which is the maximum number of vesicles
1404 from a single simulation (4096) times the size of the vesicle
1405 (usually 10000) divided by Avagadro's number divided by the total
1406 environmental lipid concentration, or usually
1407 \Sexpr{4096*10000/6.022E23/141E-10}~L.
1408
1409 \subsection{Initial Vesicle Creation}
1410
1411 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
1412 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
1413 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
1414 and a mean of the per-simulation specified starting size, with a
1415 minimum of 5 lipid molecules, or can be specified to have a precise
1416 number of molecules. Lipid molecules are then selected to be added to
1417 the lipid membrane according to four different methods. In the
1418 constant method, molecules are added in direct proportion to their
1419 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
1420 proportion to their concentration in the environment scaled by a
1421 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
1422 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
1423 method, which adjust the probability of adding a molecule of a
1424 specific component by the concentration of that component, and then
1425 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
1426 also used in the first three methods to add any missing molecules to
1427 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
1428 add integer numbers of molecules. (For example, if a vesicle was to
1429 have 10 molecules split evenly between three lipid types, the 10th
1430 molecule would be assigned by randomly choosing between the three
1431 lipid types, weighted by their concentration in the environment.)
1432
1433 \subsection{Simulation Step}
1434
1435 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
1436 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
1437 parameters and state equation discussed above until the vesicle splits
1438 forming two progeny vesicles. The program then follows both vesicles
1439 and their progeny until the simulation reaches either the maximum
1440 number of vesicles (usually 4096), or the maximum simulation time
1441 (usually 100~s).
1442
1443 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
1444
1445 \label{sec:ves_prop}
1446 $S_\mathrm{vesicle}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
1447 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
1448 type has a different surface area; we assume that the lipid packing is
1449 optimal, and there is no empty space.
1450
1451 For the other vesicle properties (length, unsaturation, charge, and
1452 curvature), we calculate the mean, the standard deviation, the mean of
1453 the log, the mean of the absolute value of the log, the standard
1454 deviation of the log, and the standard deviation of the absolute value
1455 of the log. All cases, when we take the log, we take the log of the
1456 absolute value, and map $\log(0)$ to $0$. For the purpose of plotting
1457 vesicle properties, we only plot the mean of the property.
1458
1459 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
1460
1461 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
1462 ($n_i$) requires knowing $k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}$, the surface area of the
1463 vesicle $S_\mathrm{vesicle}$ (see \cref{sec:ves_prop}), the time interval
1464 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{\mathrm{f}i}$, and the
1465 concentration of the monomer in the environment
1466 $\left[C_{i\mathrm{monomer}}\right]$ (see \cref{eq:state}).
1467 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is calculated (see \cref{eq:kf_adj}) based on the
1468 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
1469 many cases as possible, experimentally based)
1470 (see \cref{sec:kinetic_adjustments} for details). $dt$ can be varied
1471 (see \cref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
1472 leads to the following:
1473
1474 $n_i = k_{\mathrm{f}i}k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{vesicle}\mathrm{N_A}dt$
1475
1476 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
1477 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
1478 of the integer molecules are the probability of adding a specific
1479 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
1480 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
1481 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
1482
1483 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
1484
1485 $n_i = k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i_\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{vesicle}}\mathrm{N_A}dt$.
1486
1487 Before addition or removal of molecules, the properties of the vesicle
1488 are calculated; this is done so that molecules can be considered to be
1489 added and removed at the same instant, even though additions are
1490 handled first programmatically. This also avoids cases where a removal
1491 would have resulted in a negative number of molecules for a particular
1492 type.
1493
1494 \subsubsection{Step duration}
1495 \label{sec:step_duration}
1496
1497 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
1498 split. In the current implementation, it starts with a value of
1499 $10^{-6}$~$\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
1500 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
1501 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
1502 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
1503 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
1504 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
1505 different experimental runs.
1506
1507 \subsubsection{Vesicle splitting}
1508
1509 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
1510 starting vesicle size, the vesicle splits. Molecules are assigned to
1511 the progeny vesicles at random, with each progeny vesicle having an
1512 equal chance of getting a single molecule. The number of molecules to
1513 assign to the first vesicle has binomial distribution with a
1514 probability of an event in each trial of 0.5 and a number of trials
1515 equal to the number of molecules.
1516
1517 \subsection{Output}
1518
1519 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
1520 immediately before and immediately after splitting are stored
1521 to produce later output.
1522
1523 % \section{Analyzing output}
1524
1525 % The analysis of output is handled by a separate perl program which
1526 % shares many common modules with the simulation program. Current output
1527 % includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
1528 % various graphs.
1529
1530 % \subsection{PCA plots}
1531
1532 % Two major groups of axes that contribute to vesicle variation between
1533 % subsequent generations are the components and properties of vesicles.
1534 % Each component in a vesicle is an axis on its own; it can be measured
1535 % either as an absolute number of molecules in each component, or the
1536 % fraction of molecules of that component over the total number of
1537 % molecules; the second approach is often more convenient, as it allows
1538 % vesicles with different number of molecules to be directly compared
1539 % (though it hides any effect of vesicle size).
1540
1541 % In order to visualize the variation between and transition of
1542 % subsequent generations of vesicles from their initial state in the
1543 % simulation, to their final state at the termination of the simulation,
1544 % we plot the projection of the generations onto the two principle PCA
1545 % axes (and alternatively, any pairing of the axes).
1546
1547 % \subsection{Carpet plots}
1548
1549 % Carpet plots show the distance/similarity between the composition or
1550 % properties of all generations in a single run. The difference between
1551 % each group of vesicle can be calculated using Euclidean distance
1552 % (properties and compositions) or H similarity (composition only). We
1553 % must use Euclidean distance for properties because the H distance
1554 % metric is invalid when comparing negative vector elements to positive
1555 % vector elements.
1556
1557 % In addition to showing distance or similarity, carpet plots also
1558 % depict propersomes and composomes as square boxes on the diagonals and
1559 % propertypes and compotypes as rectangles off the diagonals, each
1560 % propertype or compotype with a distinct color.
1561
1562 % \subsection{Propersomes, propertypes, composomes and compotypes}
1563
1564 % A generation is considered to be a propersome if it is less than $0.6$
1565 % units (by Euclidean distance of normalized properties) away from the
1566 % generation immediately following and preceding. Likewise, a generation
1567 % is in a composome if its H similarity is more than $0.9$ (by the
1568 % normalized H metric) from the preceding and following generations.
1569 % Propersomes and composomes are then assigned to propertypes and
1570 % compotypes using Paritioning Around Medioids
1571 % (PAM). All values of $k$ between 2 and 15
1572 % (or the number of propersomes and composomes, if that is less than 15)
1573 % are tried, and the clustering with the smallest
1574 % silhouette~\citep{Rousseeuw1987:silhouettes} is chosen as the ideal
1575 % clustering~\citep{Shenhav2005:pgard}.
1576
1577 \section*{Formalism}
1578
1579 The most current revision of this formalism is available at
1580 \url{https://git.donarmstrong.com/ool/lipid_simulation_formalism.git}.
1581 This document is  \gitMarkPref • \gitMark.
1582
1583 %\bibliographystyle{unsrtnat}
1584 %\bibliography{references.bib}
1585
1586 \printbibliography
1587
1588
1589 \end{document}