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