]> git.donarmstrong.com Git - ool/lipid_simulation_formalism.git/blob - kinetic_formalism_competition.Rnw
remove author block for astrobiology
[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]{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{Appendix 1: Kinetic formalism for R-GARD Simulations}
56 \author{\ }
57 % \author[1,2]{Don Armstrong}
58 % %\ead{don@donarmstrong.com}
59 % \author[2]{Raphael Zidovetzki}
60 % %\ead{raphael.zidovetzki@ucr.edu}
61 % \affil[1]{Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA}
62 % \affil[2]{Cell Biology and Neuroscience, University of California at Riverside, Riverside, CA, USA}
63 % \affil[ ]{don@donarmstrong.com, raphael.zidovetzki@ucr.edu}
64 \date{}
65 \onehalfspacing
66 \begin{document}
67 \maketitle
68
69 <<load.libraries,echo=FALSE,results="hide",warning=FALSE,message=FALSE,error=FALSE,cache=FALSE>>=
70 opts_chunk$set(dev="CairoPDF",out.width="\\columnwidth",out.height="0.7\\textheight",out.extra="keepaspectratio")
71 opts_chunk$set(cache=TRUE, autodep=TRUE)
72 options(scipen = -1, digits = 2)
73 library("lattice")
74 library("grid")
75 library("Hmisc")
76 library("gridBase")
77 to.latex <- function(x){
78   gsub("\\\\","\\\\\\\\",latexSN(x))
79 }
80 # R in cal / mol K
81 to.kcal <- function(k,temp=300) {
82   gasconst <- 1.985
83   return(-gasconst*temp*log(k)/1000)
84 }
85
86
87 % \setcounter{figure}{0} \setcounter{table}{0} 
88 \makeatletter
89 \renewcommand{\thefigure}{S\@arabic\c@figure}
90 \renewcommand{\thetable}{S\@arabic\c@table}
91 \makeatother
92
93 % \section{Competition Implementation}
94 % \subsection{Implementation changes}
95
96 % \begin{itemize}
97 % \item settable maximum number of vesicles to track (default $10^4$)
98 % \item start with 1~L ($10^{-3}$~m$^3$) cube
99 % \item if at any point the number of vesicles exceeds the maximum
100 %   number, chop the volume and environment molecule number into tenths,
101 %   randomly select one tenth of the vesicles, and continue tracking.
102 % \item generations will be counted per vesicle, and each progeny
103 %   vesicle will have a generation number one greater than the parental
104 %   vesicle.
105 % \item 100 generations can result in as many as $2^{100}$
106 %   ($\Sexpr{2^100}$) vesicles or as few as
107 %   101 vesicles.
108 % \item Environment will use a specific number of each component instead
109 %   of a constant concentration; as the number may be larger than
110 %   \texttt{long long} ($2^{64}$), we use libgmp to handle an arbitrary
111 %   precision number of components
112 % \end{itemize}
113
114 % \subsection{Infrastructure changes}
115 % \begin{itemize}
116 % \item Rewrite core bits in C
117 % \item Use libgmp for handling large ints
118 % \item Use openmpi to split the calculations out over multiple
119 %   machines/processors and allow deploying to larger
120 %   clusters/supercomputers
121 % \end{itemize}
122
123
124
125 \section{State Equation}
126 % double check this with the bits in the paper
127
128 For a system with monomers $(_\mathrm{monomer})$ and a vesicle
129 $(_\mathrm{vesicle})$, the change in concentration of the $i$th component of
130 a lipid vesicle per change in time ($d \left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]/dt$)
131 can be described by a modification of the basic mass action law:
132
133 \begin{equation}
134   \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] -
135   k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]
136   \label{eq:state}
137 \end{equation}
138
139 The base forward kinetic parameter for the $i$th component is $k_{\mathrm{f}i}$
140 and is dependent on the particular lipid type (\ac{PC}, \ac{PS}, \ac{SM}, etc.). The
141 forward adjustment parameter, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$, is based on the
142 properties of the vesicle and the specific component (type, length,
143 unsaturation, etc.) (see \cref{eq:kf_adj,sec:kinetic_adjustments}).
144 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$ is the molar concentration of
145 monomer of the $i$th component. $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$ is the surface
146 area of the vesicle per volume. The base backwards kinetic parameter
147 for the $i$th component is $k_{\mathrm{b}i}$ and its adjustment parameter
148 $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$ (see \cref{eq:kb_adj,sec:kinetic_adjustments}).
149 $\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]$ is the molar concentration of
150 the $i$th component in the vesicle.
151
152 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
153
154 <<kf_prime,echo=FALSE,results='hide'>>=
155 kf.prime <- c(3.7e6,3.7e6,5.1e7,3.7e6,2.3e6)
156 kf <- (as.numeric(kf.prime)*10^-3)/(63e-20*6.022e23)
157
158
159 Each of the 5 lipid types has different kinetic parameters; where
160 available, these were taken from literature (\cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}).
161
162 \begin{table}
163   \centering
164   \begin{tabular}{c c c c c c c c}
165     \toprule
166     Type & $k_\mathrm{f}$ $\left(\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)$ 
167     & $k'_\mathrm{f}$ $\left(\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}\right)$
168     & $k_\mathrm{b}$ $\left(\mathrm{s}^{-1}\right)$ 
169     & Area $\left(\mathrm{Å}^2\right)$ & Charge & $\mathrm{CF}1$ & Curvature \\
170     \midrule
171     PC   & $\Sexpr{kf[1]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $2   \times 10^{-5}$ & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
172     PS   & $\Sexpr{kf[2]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $1.25\times 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
173     CHOL & $\Sexpr{kf[3]}$ & $5.1 \times 10^7$ & $2.8 \times 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
174     SM   & $\Sexpr{kf[4]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $3.1 \times 10^{-3}$ & 61 & 0  & 3  & 0.8  \\
175     PE   & $\Sexpr{kf[5]}$ & $2.3 \times 10^6$ & $1   \times 10^{-5}$ & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
176     \bottomrule
177   \end{tabular}
178   \caption{Kinetic parameters and molecular properties of lipid types}
179   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
180 \end{table}
181
182 %%% \DLA{I think we may just reduce these three sections; area, $k_\mathrm{f}$
183 %%%   and $k_\mathrm{b}$ to \cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types} with
184 %%%   references.}
185 %%% 
186 %%% \RZ{Yes, but we also have to have then as comments the numbers that
187 %%%   are not supported by refs}
188
189 \subsubsection{$k_\mathrm{f}$ for lipid types}
190 $k_{\mathrm{f}_\mathrm{PC}}$ was measured by
191 \citet{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics} and
192 was found to be $3.7\times 10^6$~$\frac{1}{\mathrm{M}\mathrm{s}}$ by the
193 partitioning of \ac{NBDPC} between \ac{DOPC} vesicles and water. As
194 similar references are not available for \ac{SM} or \ac{PS}, we assume that they have
195 the same $k_\mathrm{f}$. For \ac{CHOL}, no direct measurement of $k_\mathrm{f}$ is available,
196 however, \citet{Estronca2007:dhe_kinetics} measured the transfer of
197 \ac{DHE} from \ac{BSA} to \acp{LUV}, and found a $k_\mathrm{f}$ of $5.1\times 10^7$~%
198 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. We assume that this value is close
199 to that of \ac{CHOL}, and use it for $k_{\mathrm{f}_\mathrm{\ac{CHOL}}}$. In the case of
200 \ac{PE}, \citet{Abreu2004:kinetics_ld_lo} measured the association of
201 \ac{NBDDMPE} with \ac{POPC} \acp{LUV} and found a value for $k_\mathrm{f}$ of $2.3 \times 10^{6}$~%
202 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. These three authors used a slightly
203 different kinetic formalism ($\frac{d\left[A_v\right]}{dt} =
204 k'_\mathrm{f}[A_m][L_v] - k_\mathrm{b}[A_v]$), so we correct their values of $k_\mathrm{f}$ by
205 multiplying by the surface area of a mole of lipids.
206
207 \subsubsection{$k_\mathrm{b}$ for lipid types}
208
209 \citet{Wimley1990:dmpc_exchange} measured the half time for the
210 exchange of [$^3$H]\ac{DMPC} between \acp{LUV} at 30\textdegree C, and found it
211 to be 9.6 hr. As this is a first order reaction, and the primary
212 limiting step in exchange is lipid desorption, $k_\mathrm{b}$ for \ac{DMPC} is
213 $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}=\frac{\log 2}{9.6 \times 60 \times 60} \approx
214 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}
215 \mathrm{s}^{-1}$. We assume that $k_\mathrm{b}$ for \ac{SM} is the same as for \ac{PC}.
216 To estimate the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and \ac{PS}, we used the data from
217 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} who measured the rate of
218 exchange of the fluorescent label \ac{C6NBD} attached to different
219 lipid species. Although the values of $k_\mathrm{b}$ are different for the labeled
220 and unlabeled lipids, we assume that the ratios of the kinetics
221 constants for the lipid types are the same. Furthermore we assume that
222 \ac{PG} behaves similarly to \ac{PS}. Thus, we can determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and
223 \ac{PS} from the already known $k_\mathrm{b}$ of \ac{PC}. For \ac{C6NBD} labeled \ac{PC},
224 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} obtained a $k_\mathrm{b}$ of
225 $0.89$~$\mathrm{min}^{-1}$, \ac{PE} of $0.45$~$\mathrm{min}^{-1}$ and PG of
226 $0.55$~$\mathrm{min}^{-1}$. Assuming the ratios of the rate of
227 exchange are the same for unlabeled lipids and labeled lipids, we can
228 determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and \ac{PS} from the already known $k_\mathrm{b}$ of
229 \ac{PC}~\citep{Wimley1990:dmpc_exchange}. Calculating the ratio, this leads
230 us to $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PE}} =
231 \frac{k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}\times\mathrm{PE}}{\mathrm{PC}} \approx
232 \frac{2\times 10^{-5}\,\mathrm{s}^{-1} \times
233   0.45\,\mathrm{min}^{-1}}{0.89\,\mathrm{min}^{-1}} \approx
234 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*0.45/0.89}$~$\mathrm{s}^{-1}$
235 and likewise, $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PS}}\approx
236 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*0.55/0.89}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
237 The $k_\mathrm{b}$ of \ac{SM} was determined using the work of
238 \citet{Bai1997:lipid_movementbodipy}, who measured spontaneous
239 transfer of C$_5$-DMB-SM and C$_5$-DMB-PC from donor and acceptor
240 vesicles, finding $3.4\times10^{-2}$~$\mathrm{s}^{-1}$ and
241 $2.2\times10^{-3}$~$\mathrm{s}^{-1}$ respectively; using the ratio of
242 $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-SM to the $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-PC times the $k_\mathrm{b}$ of
243 \ac{PC} ($\frac{3.4 \times 10^{-2}\mathrm{s}^{-1}}{2.2 \times
244   10^{-3}\mathrm{s}^{-1}}\approx
245 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)}\mathrm{s}^{-1}$),
246 we obtain $k_{\mathrm{b}_\mathrm{SM}} \approx
247 \Sexpr{log(2)/(9.6*60*60)*3.4e-2/2.2e-3}$.
248 In the case of \ac{CHOL}, \citet{Jones1990:lipid_transfer} measured the
249 $t_{1/2}$ of [$^3$H] transfer from POPC vesicles and found it to be 41
250 minutes, leading to a $k_{\mathrm{b}_\mathrm{CHOL}} = \frac{\log 2}{41\times
251   60} \approx
252 \Sexpr{log(2)/(41*60)}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
253
254 \subsubsection{Headgroup Surface Area for lipid types}
255
256 % Smondyrev, A. M., and M. L. Berkowitz. 1999b. United atom force
257 % field for phospholipid membranes: constant pressure molecular
258 % dynamics simulation of dipalmitoylphosphatidicholine/water system.
259 % J. Comput. Chem. 50:531–545.
260
261 Different lipids have different headgroup surface areas, which contributes to
262 $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$. \citet{Smaby1997:pc_area_with_chol}
263 measured the surface area of \ac{POPC} with a Langmuir film balance, and
264 found it to be 63~Å$^2$ at $30$~$\frac{\mathrm{mN}}{\mathrm{m}}$.
265 Molecular dynamic simulations found an area of 54 Å$^2$ for
266 \ac{DPPS}\citep{Cascales1996:mds_dpps_area,Pandit2002:mds_dpps}, which is
267 in agreement with the experimental value of 56~Å$^2$ found using a
268 Langmuir balance by \citet{Demel1987:ps_area}.
269 \citet{Shaikh2002:pe_phase_sm_area} measured the area of \ac{SM} using a
270 Langmuir film balance, and found it to be 61~Å$^2$. Using $^2$H NMR,
271 \citet{Thurmond1991:area_of_pc_pe_2hnmr} found the area of
272 \ac{DPPE}-d$_{62}$ to be 55.4 Å$^2$. \citet{Robinson1995:mds_chol_area}
273 found an area for \ac{CHOL} of 38~Å$^2$ using molecular dynamic
274 simulations.
275
276 % robinson's chol area is kind of crappy; they did it using MDS, but
277 % vaguely; they don't indicate what it was at the end, and they only
278 % had 2 molecules of \ac{CHOL}.
279
280
281
282 % \ac{PC}: 63 A (Smaby97rd) (Pandit (?)
283 % \ac{PS}: 54 A (Pandit02LIB) (Cascales 1996; J. Chem. Phys 104:2713, Mukhopadhyay2004)
284 % \ac{CHOL}:  38 A (Robinson 1995) (Lundberg 1982)
285 % \ac{SM}: 51 A (Shaikh2002, but 61(?))
286 % PE: 55 A (Thurmond, 1991) (Pandit2002)
287
288 % Compare to results by Petrache2004 with DOPC of 72.5, DOPS of 65.3.
289
290 % The cross‑sectional area of cholesterol is ~37 ֵ2 (Lundberg, B. 1982. A
291 % surface film study of the lateral packing of phosphatidylcholine and
292 % cholesterol. Chem. Phys. Lipids. 31:23-32).
293
294 % From Pandit02LIB: the area per headgroup for PE is ~10‑20\% (Thurmond
295 % et al., 1991) smaller than the area per PC molecule. For DLPE, it is
296 % 50.6 ֵ2 (McIntosh and Simon, 1986; Damodaran et al., 1992). The
297 % estimated area per molecule for DPPE is ~55.4 ֵ2 (Thurmond et al.,
298 % 1991).
299
300 % From Pandit02LIB: (from their simulations) average area per headgroup
301 % for DPPS molecules is 53.75 ± 0.10 ֵ2. The values inferred from the
302 % experiments are in the region between 45 and 55 ֵ2 (Cevc et al., 1981.
303 % Titration of the phase transition of phosphatidylserine bilayer
304 % membranes. Effect of pH, surface electrostatics, ion binding, and
305 % head‑group hydration. Biochemistry. 20:4955‑4965; | Demel et al.,
306 % 1987. Monolayer characteristics and thermal behavior of natural and
307 % synthetic phosphatidylserines. Biochemistry. 26:8659‑8665). Note that
308 % the average area per headgroup for DPPC bilayer obtained from
309 % simulations and measurements is ~62 ֵ A2. One would expect that the
310 % area per headgroup in case of DPPS molecules will be larger than the
311 % area per DPPC molecule, because the headgroups of DPPS are charged and
312 % therefore repel each other. Contrary to this expectation, the area per
313 % headgroup in DPPS is ~13\% smaller than that of DPPC. López Cascales
314 % et al. (1996. Molecular dynamics simulation of a charged biological
315 % membrane. J. Chem. Phys. 104:2713‑2720.) proposed that this reduction
316 % in the area per headgroup is due to a strong intermolecular
317 % coordination between DPPS molecules. MD gave area per POPS of 55 A2 at
318 % 300K (Mukhopadhyay04LIB).
319
320 % However, by 2H NMR and X-ray, Petrache04LIB determined the area of
321 % DOPS at 30 C to be 65.3 A2, considerably smaller than DOPC, determined
322 % by the same group in another paper to be 72.5 ֵ A2
323 % (Tristram‑Nagle00LIB).
324
325 % From Shaikh02: At 35 mN/m of surface pressure, the areas/molecule for
326 % POPE, SM, and CHOL were found to be 65.2, 61.1, and 38.8 Å2.
327
328 % In Lonchin99: POPC area 72 A2 ((a) Cornell, B. A.; Middlehurst, J.;
329 % Separovic, F. Biochim. Biophys. Acta1980, 598, 405−410), oleic acid
330 % area 32 A2 ((a) Small, D. M. In Handbook of Lipid Research; Hanahan,
331 % D. J., Ed.; Plenum Press:  New York, 1986; Vol. 4, Chapter 9.
332
333 % (b) Jain, M. K. Introduction to Biological Membranes, 2nd ed.; John
334 % Wiley \& Sons:  New York, 1988; Chapter 3). Cistola, D. P.; Atkinson,
335 % D.; Hamilton, J. A.; Small, D. M. Biochemistry1986, 25, 2804−2812.
336
337 % From Marsh96: The values obtained for the headgroup area per molecule,
338 % fitted as free parameters in Fig. 6, are APE = 58 A2 and APC = 78 A2,
339 % for DOPE and DOPC, respectively. These values are within the range
340 % obtained for the corresponding areas per molecule of
341 % phosphatidylethanolamines and phosphatidylcholines in the fluid
342 % lamellar phase (see, e.g., Marsh, 1990), and correspond to values for
343 % the lipid packing parameter of V/Al = 1.08 and 1.34 for DOPC and DOPE,
344 % respectively. The former value is consistent with DOPC alone forming
345 % hydrated lamellar structures rather than nonlamellar structures. The
346 % latter value lies at the lower end of the packing parameters obtained
347 % for phosphatidylethanolamines.
348
349 % From Kumar91: The head group area chosen was 71.7 A2 for PC and
350 % lysoPC, 42 A2 for PE, and 19 A2 for Chol (5, 14). The value selected
351 % for PC is in agreement with the 71 A2 value determined for PCs with
352 % saturated acyl chains (14). The hydrocarbon volume and the length
353 % chosen for Chol are 400 A3 and 17.25 A, respectively (5).
354
355
356
357 % From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
358 % association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
359 % are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
360 % in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
361 % association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
362 % {indeed; everything is k- !!!; rz}
363
364 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
365 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
366 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
367 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
368 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
369 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
370 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
371 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
372 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
373
374 % From Toyota08: Recently, several research groups have reported
375 % self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
376 % sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
377 % chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
378 % vesicles.44-47
379
380 % Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
381 % Thomas02.
382
383 % From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
384 % composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
385 % size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
386
387 % From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
388 % between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
389 % 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
390 % molecules between a donor and an acceptor population. The measured
391 % efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
392 % first order processes. In all of this work, the insertion rate has
393 % been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
394 % both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
395 % association with membranes, our results show that this assumption is
396 % valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
397 % constant was assumed, although never demonstrated, to be a
398 % diffusion-controlled process.
399
400 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
401 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
402 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
403 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
404 %   kcal/mol; rz}).
405
406 % Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
407 % would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
408 % 1500.
409
410 % Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
411 % although membrane curvature does have a small effect on the absolute
412 % rates of FA transfer between vesicles, the ΔG of membrane desorption
413 % is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
414 % govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
415 % than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
416 % issue continue (57, 61, 63, 64)
417
418 % (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
419 % transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
420 % depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
421 % is much slower from LUV as compared to SUV).
422
423 % From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
424 % unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
425 % rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
426 % (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
427 %   estimation of k- rz; 8/11/08}.
428
429 \subsubsection{Complex Formation 1}
430
431 \citet{Thomas1988:chol_transfer} found that \ac{SM} significantly decreases
432 the rate of cholesterol transfer from \ac{PC}, while \ac{PE} and \ac{PS} have no
433 effect at physiologically significant levels. We attribute this to the
434 formation of complexes between \ac{SM} and \ac{CHOL}, which retards the rate of
435 efflux of \ac{CHOL} from the membrane. Similar complexes exist between \ac{PC}
436 and \ac{CHOL}, where it was shown that two \ac{CHOL} molecules complex with one
437 \ac{PC}~\citep{Huang1999:chol_solubility_model,
438   Huang1999:cholesterol_solubility,McConnell2006,McConnell2003}. It
439 has also been shown that \ac{SM} binds more \ac{CHOL} molecules than
440 \ac{PC}~\citep{Katz1988:pl_packing_chol}. We assume that three \ac{CHOL} complex
441 with one \ac{SM}, leading to $\mathrm{CF}1$ values of $3$, $2$, and $-1$
442 for \ac{SM}, \ac{PC}, and \ac{CHOL}, respectively.
443
444 \subsubsection{Curvature}
445
446 We used the formulation for curvature of
447 \citet{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}, or $S=\frac{v}{l_c
448   a}$, where $S$ is the curvature, which ranges from $0$ to $\infty$,
449 $l_c$ is the critical length of the acyl chain, $v$ is the volume of
450 the lipid, and $a$ is the area of the head group.
451 \citet{Kumar1991:lipid_packing} found a value for $S$ of 1.33 for PE,
452 1.21 for \ac{CHOL}, and 0.8 for diC$_{16}$ \ac{PC}. We assume that \ac{PS} has neutral
453 curvature (value of 1), and that \ac{SM} has the same curvature as \ac{PC}
454 (0.8). It should also be noted that in reality the curvature parameter
455 changes with length, but at longer chain lengths, is effectively
456 constant; in the current model, curvature is held constant for each
457 species.
458
459
460 % 1. Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J. & Ninham, B. W. (1976) J.
461 %    Chem. Soc. Faraday Trans. 2 72, 1525-1568.
462 % 2. Israelachvili, J. N., Marcelja, S. & Horn, R. G. (1980) Q. Rev.
463 %    Biophys. 13, 121-200.
464 % 3. Israelachvili, J. N. (1985) Intermolecular and Surface Forces
465 %    (Academic, New York), pp. 229-271.
466
467 % \DLA{This section needs to be added still.}
468
469 % PE = 1.33     (Kumar91)
470 % CHOL = 1.21           (Kumar91)
471 % PC=0.8        (Kumar91)
472 % SM=0.8        (assumed by rz same as PC)
473 % PS=1          (no refs so far; should be close to unity; rz)
474
475 % From Epand94LIB: a considerable amount of heat is evolved per mole of
476 % bilayer stabilizer when such molecules are inserted into membranes
477 % which are under a high curvature strain. If this energy were coupled
478 % to a membrane event, such as the conformational change in a protein,
479 % it could be the driving force responsible for such processes.
480
481 % From Epand94LIB: considerable energy may be released upon the
482 % incorporation of certain molecules into membranes which have a low
483 % radius of spontaneous curvature. {discuss with DL in terms of
484 %   catalytic activity; rz; 8/24/2010}.
485
486 % Kleinfeld93 showed that the transfer parameters of long-chain FFA
487 % between the lipid vesicles depend on vesicle curvature and
488 % composition. Transfer of stearic acid is much slower from LUV as
489 % compared to SUV.
490
491 % Substitution of DPPC SUV for POPC SUV as the donor matrix revealed
492 % some differences in the energetics of transfer that are associated
493 % with the physical state of the donor particle. Whereas the free
494 % energies of transfer of oleic acid from DPPC SUV and POPC SUV are
495 % similar, the free energy of transfer of stearic acid from DPPC SUV is
496 % much higher than that observed from POPC.
497
498 % From Kumar91: S is given by S = V/al, where V is the hydrocarbon
499 % volume, a is the area of head group, and l is the critical length of
500 % the hydrocarbon chain (1-3). a, V, and I are all estimable or
501 % measurable (4), and the value of S can be calculated. The value of S
502 % determines the aggregate formed by lipids or any amphiphiles upon
503 % hydration. It has been shown that lipids aggregate to form spherical
504 % micelles (S < 1/3), nonspherical (cylindrical) micelles (1/3 < S <
505 % 1/2), bilayers (1/2 < S < 1), and reverse micelles or hexagonal (HII,)
506 % phases (S > 1). However, theoreticians caution that the above
507 % predicted limits set on the values of S are relatively insensitive to
508 % the exact values of V and a but are strongly dependent upon the choice
509 % of l (5).
510
511 % From Kumar91: Cylindrical and wedge-shaped molecules have been shown
512 % to be essential for spontaneous vesiculation (6) as well as bilayer
513 % stabilization (7, 8).
514
515 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
516 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
517 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
518 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
519 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
520 %   cones; rz}
521
522 \section{Kinetic adjustments}
523 \label{sec:kinetic_adjustments}
524
525 In the mass action equation used in the formalism, both the forward
526 and backwards kinetic constants ($k_\mathrm{f}$ and $k_\mathrm{b}$) are adjusted (by
527 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ and $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$) to reflect the
528 properties of the vesicle and the properties of the monomer entering
529 or exiting the vesicle.
530
531 \subsection{Forward Kinetic Adjustments}
532
533 The forward rate constant adjustment, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ takes into
534 account unsaturation ($un_\mathrm{f}$), charge ($ch_\mathrm{f}$), curvature ($cu_\mathrm{f}$),
535 length ($l_\mathrm{f}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{f}$), each of which is
536 modified depending on the specific component and the vesicle into
537 which the component is entering; the final $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is the
538 product of the adjustments made separately for each property.
539
540 \begin{equation}
541   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}
542   \label{eq:kf_adj}
543 \end{equation}
544
545 \subsubsection{Unsaturation Forward}
546
547 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
548 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
549 unsaturated and saturated lipids forming heterogeneous domains. Void
550 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
551 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
552 the membrane is greater when the standard deviation of the
553 unsaturation is larger. %
554 %%% \RZ{May need to site (at least for us) works showing
555 %%%   mismatch-dependent ``defects''}. %
556 Assuming that an increase in width of the distribution linearly
557 decreases the free energy of activation, the $un_\mathrm{f}$ parameter must
558 follow $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}$ where $a > 1$,
559 so a convenient starting base for $a$ which leads to a reasonable
560 change in Eyring activation energy is $2$:
561
562 \begin{equation}
563   un_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}
564   \label{eq:unsaturation_forward}
565 \end{equation}
566
567 The mean $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$ in our
568 simulations is around $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta
569 G^\ddagger$ of $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,to.kcal(2^1.5)))}
570 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and a total range of possible
571 values depicted in \cref{fig:unf_graph}.
572
573 % \RZ{Explain here, or even earlier that the formulas were ad hoc
574 %   adjusted to correspond to ``reasonable'' changes in the Eyring
575 %   activation energies.}
576
577 % It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
578 % affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
579 % not include a term for it in this formalism.
580
581
582 \begin{figure}
583 <<unf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=10,fig.height=5,cache=FALSE>>=
584 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
585 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
586       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
587       ylab=expression(italic(un[f])))
588 vps <- baseViewports()
589 pushViewport(vps$figure)
590 grid.text("A",
591           just=c("left","top"),
592           gp=gpar(fontsize=48),
593           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
594           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
595 popViewport()
596 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
597       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
598       ylab="Activation Energy (kcal/mol)")
599 vps <- baseViewports()
600 pushViewport(vps$figure)
601 grid.text("B",
602           just=c("left","top"),
603           gp=gpar(fontsize=48),
604           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
605           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
606 popViewport()
607
608 \caption{Change in unsaturation forward ($un_\mathrm{f}$) (A) or activation
609   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
610   standard deviation of the unsaturation of the vesicle
611   ($\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$).}
612 \label{fig:unf_graph}
613 \end{figure}
614
615 \subsubsection{Charge Forward}
616
617 A charged lipid such as \ac{PS} approaching a vesicle with an average
618 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
619 different signs will experience attraction, the degree of which is
620 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
621 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
622 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
623 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$ (which is similar to
624 the numerator of Coulomb's law), where $\left<ch_v\right>$ is the
625 average charge of the vesicle, and $ch_m$ is the charge of the
626 monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$ is 0, the adjustment
627 parameter is 1 (no change), whereas it decreases if both are positive
628 or negative, as the product of two real numbers with the same sign is
629 always positive. The base for $a$ ($60$) was chosen ad hoc to
630 correspond to a maximum of about
631 $0.5\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ change in activation energy
632 for the common case, resulting in the following equation:
633
634
635 \begin{equation}
636   ch_\mathrm{f} = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
637   \label{eq:charge_forward}
638 \end{equation}
639
640 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads
641 to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
642 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
643 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to
644 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and the total range of possible
645 values seen in \cref{fig:chf_graph}.
646
647
648 \begin{figure}
649 <<chf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
650 trellis.device(new=F,color=TRUE)
651 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
652 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
653 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
654 x <- seq(-1,0,length.out=20)
655 y <- seq(-1,0,length.out=20)
656 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
657 grid$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
658 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
659                 drape=TRUE,
660                 box=NA,
661                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
662                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
663                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
664                 zlab=list(label=expression(italic(ch[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
665 rm(x,y,grid)
666 grid.text("A",
667           just=c("left","top"),
668           gp=gpar(fontsize=48),
669           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
670           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
671 popViewport(1)
672 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
673 x <- seq(-1,0,length.out=20)
674 y <- seq(-1,0,length.out=20)
675 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
676 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
677 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
678                 drape=TRUE,
679                 strip=FALSE,
680                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
681                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
682                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
683                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
684 rm(x,y,grid)
685 grid.text("B",
686           just=c("left","top"),
687           gp=gpar(fontsize=48),
688           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
689           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
690 popViewport(2)
691
692 \caption{Change in charge forward ($ch_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
693   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
694   monomer entering ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
695   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
696 \label{fig:chf_graph}
697 \end{figure}
698
699 \subsubsection{Curvature Forward}
700
701 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
702 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
703 curvature), or planar sheets (neutral
704 curvature)~\citep{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}. %
705 In this formalism, curvature is measured as the ratio of the volume of
706 the lipid to the area of the head times the length of the lipid
707 ($S=\frac{v}{l_c a}$), so negative curvature is bounded by $(0,1)$,
708 neutral curvature is 1, and positive curvature is bounded by
709 $(1,\infty)$. The curvature can be transformed using $\log$, which has
710 the property of making the range of positive and negative curvature
711 equal, and distributed about 0.
712
713 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
714 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
715 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
716 insertion into the vesicle. However, a component with curvature
717 $cu^{-1}$ will cancel out a component with curvature $cu$, so we have
718 to log transform (turning these into $-\log cu$ and $\log cu$), then
719 take the absolute value ($\log cu$ and $\log cu$), and finally measure
720 the width of the distribution, which in the case of exactly mismatched
721 curvatures is $0$. Thus, by using the log transform to make the range
722 of the lipid curvature equal between positive and negative, and taking
723 the average to cancel out exactly mismatched curvatures, we come to an
724 equation with the shape $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$.
725 An ad hoc base for $a$ which for the common case is $10$, yielding:
726
727
728 \begin{equation}
729  % cu_\mathrm{f} = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
730   cu_\mathrm{f} = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{monomer} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
731   \label{eq:curvature_forward}
732 \end{equation}
733
734 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
735 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
736 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
737 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
738 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
739 relatively matched curvatures in our environment. The full range of
740 $cu_\mathrm{f}$ values possible are shown in \cref{fig:cuf_graph}.
741
742 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
743 \begin{figure}
744 <<cuf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
745 trellis.device(new=F,color=TRUE)
746 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
747 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
748 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
749 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
750                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),
751                       sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
752                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
753                       mean(log(c(1,0.33))),
754                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
755 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
756 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
757                 drape=TRUE,
758                 box=NA,
759                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
760                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
761                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
762                 zlab=list(label=expression(italic(cu[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
763 rm(grid)
764 grid.text("A",
765           just=c("left","top"),
766           gp=gpar(fontsize=48),
767           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
768           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
769 popViewport(1)
770 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
771 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
772                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
773                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
774                       mean(log(c(1,0.33))),
775                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
776 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
777 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
778                 drape=TRUE,
779                 box=NA,
780                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
781                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
782                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
783                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
784 rm(grid)
785 grid.text("B",
786           just=c("left","top"),
787           gp=gpar(fontsize=48),
788           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
789           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
790 popViewport(2)
791
792 \caption{Change in curvature forward ($cu_\mathrm{f}$) (A) or activation energy
793   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
794   deviation of the log of the curvature of the vesicle
795   ($\mathrm{stdev}\left(\log cu_\mathrm{vesicle}\right)$) and the mean
796   of the log of the curvature of the vesicle ($\left<\log
797     cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
798 \label{fig:cuf_graph}
799 \end{figure}
800
801 \subsubsection{Length Forward}
802
803 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
804 are made up of components of mismatched lengths. Thus, when the width
805 of the distribution of lengths is larger, the forward rate should be
806 greater as well, leading us to an equation of the form
807 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}$, where $\mathrm{stdev}
808 l_\mathrm{vesicle}$ is the standard deviation of the length of the
809 components of the vesicle, which has a maximum possible value of
810 $\Sexpr{format(digits=3,sd(c(rep(12,50),rep(24,50))))}$ and a minimum
811 of 0 in this set of simulations. Based on activation energy, a
812 reasonable base for $x$ is 2, leading to:
813
814 \begin{equation}
815   l_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}
816   \label{eq:length_forward}
817 \end{equation}
818
819 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}$ is around $3.4$, which leads to
820 a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
821 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
822 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
823
824 % While it could be argued that increased length of the monomer could
825 % affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
826 % it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
827 % bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
828 % insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
829 % degree, so we do not take it into account in this formalism.
830
831 % \DLA{Incorporate McLean84 here}
832 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
833 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
834 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
835 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
836 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
837 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
838 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
839 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
840 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
841
842 % From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
843 % decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
844 % chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
845 %   rz 8/17/2010}.
846
847 % From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
848 % with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
849 % (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
850 %   formula; rz 8/17/2010}.
851
852 % From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
853 % chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
854
855
856
857 \begin{figure}
858 <<lf_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=5>>=
859 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
860 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
861       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
862       ylab=expression(italic(l[f])),
863       las=1
864       )
865 vps <- baseViewports()
866 pushViewport(vps$figure)
867 grid.text("A",
868           just=c("left","top"),
869           gp=gpar(fontsize=48),
870           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
871           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
872 popViewport()
873 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
874       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
875       ylab="Activation Energy (kcal/mol)",
876       las=1)
877 vps <- baseViewports()
878 pushViewport(vps$figure)
879 grid.text("B",
880           just=c("left","top"),
881           gp=gpar(fontsize=48),
882           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
883           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
884 popViewport()
885
886 \caption{Change in length forward ($l_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
887   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
888   deviation of the length of the vesicle
889   ($\mathrm{stdev}\left(l_\mathrm{vesicle}\right)$).}
890 \label{fig:lf_graph}
891 \end{figure}
892
893 \subsubsection{Complex Formation}
894 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
895 rate in the current formalism.
896
897 \begin{equation}
898   CF1_\mathrm{f}=1
899   \label{eq:complex_formation_forward}
900 \end{equation}
901
902 \subsection{Backward adjustments ($k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$)}
903
904 Just as the forward rate constant adjustment $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$
905 does, the backwards rate constant adjustment $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$
906 takes into account unsaturation ($un_\mathrm{b}$), charge ($ch_\mathrm{b}$), curvature
907 ($cu_\mathrm{b}$), length ($l_\mathrm{b}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{b}$), each of
908 which is modified depending on the specific component and the vesicle
909 from which the component is exiting:
910
911
912 \begin{equation}
913   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}
914   \label{eq:kb_adj}
915 \end{equation}
916
917 \subsubsection{Unsaturation Backward}
918
919 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
920 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
921 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
922 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
923 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
924 with some unsaturation (eg. average unsaturation of 2) is more
925 favorable for lipids with more unsaturation (eg. 3) than lipids with
926 equivalently less unsaturation (eg. 1), so the difference in energy
927 between unsaturation is not linear. Therefore, an equation with the
928 shape $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{vesicle}\right>
929     }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$, where
930 $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is the average unsaturation of the
931 vesicle and $un_\mathrm{monomer}$ is the unsaturation of the monomer,
932 allows for increasing the efflux of molecules from membranes where
933 they strongly mismatch, while allowing vesicles with greater
934 unsaturation to tolerate greater unsaturation mismatch between
935 monomers and the vesicle. The bases x and y were chosen ad hoc to
936 produce reasonable Eyring energies of activation over the range of
937 unsaturations expected, leading to:
938
939
940 \begin{equation}
941   un_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
942   \label{eq:unsaturation_backward}
943 \end{equation}
944
945 The most common $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $1.7$, which
946 leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
947 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
948 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
949 to
950 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
951 for monomers with 4 unsaturations. See \cref{fig:unb_graph} for
952 the full range of possible values.
953
954
955 \begin{figure}
956 <<unb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
957 trellis.device(new=F,color=TRUE)
958 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
959 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
960 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
961 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
962                     y=seq(0,4,length.out=20))
963 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
964 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
965                 drape=TRUE,
966                 box=NA,
967                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
968                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
969                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
970                 zlab=list(label=expression(italic(un[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
971 grid.text("A",
972           just=c("left","top"),
973           gp=gpar(fontsize=48),
974           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
975           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
976 popViewport(1)
977 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
978 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
979                     y=seq(0,4,length.out=20))
980 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
981 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
982                 drape=TRUE,
983                 strip=FALSE,
984                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
985                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
986                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
987                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
988 rm(grid)
989 grid.text("B",
990           just=c("left","top"),
991           gp=gpar(fontsize=48),
992           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
993           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
994 popViewport(2)
995
996 \caption{Change in unsaturation backward ($un_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
997   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the unsaturation of the
998   monomer leaving ($un_\mathrm{monomer}$) and the average unsaturation of
999   the vesicle ($\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1000 \label{fig:unb_graph}
1001 \end{figure}
1002
1003 \subsubsection{Charge Backwards}
1004 As in the case of monomers entering a vesicle, opposites attract.
1005 Monomers leaving a vesicle leave faster if their charge has the same
1006 sign as the average charge vesicle. An equation of the form
1007 $ch_\mathrm{b} = a^{\left<ch_v\right> ch_m}$ is then appropriate, and
1008 using a base of $a=20$ yields:
1009
1010 \begin{equation}
1011   ch_\mathrm{b} = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
1012   \label{eq:charge_backwards}
1013 \end{equation}
1014
1015 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
1016 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1017 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
1018 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
1019 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $0$.
1020 See \cref{fig:chb_graph} for the full range of possible values
1021 of $ch_\mathrm{b}$.
1022
1023
1024 \begin{figure}
1025 <<chb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1026 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1027 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1028 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1029 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1030 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1031 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1032 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1033 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
1034 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1035                 drape=TRUE,
1036                 box=NA,
1037                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1038                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1039                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1040                 zlab=list(label=expression(italic(ch[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1041 rm(x,y,grid)
1042 grid.text("A",
1043           just=c("left","top"),
1044           gp=gpar(fontsize=48),
1045           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1046           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1047 popViewport(1)
1048 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1049 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1050 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1051 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1052 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
1053 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1054                 drape=TRUE,
1055                 strip=FALSE,
1056                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1057                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1058                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1059                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1060 rm(x,y,grid)
1061 grid.text("B",
1062           just=c("left","top"),
1063           gp=gpar(fontsize=48),
1064           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1065           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1066 popViewport(2)
1067
1068 \caption{Change in charge backward ($ch_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
1069   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
1070   monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
1071   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1072 \label{fig:chb_graph}
1073 \end{figure}
1074
1075
1076 \subsubsection{Curvature Backwards}
1077
1078 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
1079 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
1080 the curvatures match exactly, $cu_\mathrm{f}$ needs to be one. To map negative and
1081 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
1082 Positive ($cu > 1$) and negative ($0 < cu < 1$) curvature lipids cancel each other out,
1083 resulting in an average curvature of 1; the average of the log also
1084 has this property (average curvature of 0). Increasing mismatches in curvature increase the
1085 rate of efflux, but asymptotically. An equation which satisfies these
1086 criteria has the form $cu_\mathrm{f} = a^{1-\left(b\left( \left< \log
1087         cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log
1088       cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An alternative
1089 form would use the absolute value of the difference, however, this
1090 yields a cusp and sharp increase about the curvature equilibrium. We
1091 have chosen bases of $a=7$ and $b=20$ ad hoc, based on activation
1092 energy considerations.
1093
1094 \begin{equation}
1095   cu_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
1096   \label{eq:curvature_backwards}
1097 \end{equation}
1098
1099 The most common $\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$ is around
1100 $-0.013$, which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1101 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
1102 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8 to
1103 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature
1104 near 1
1105 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1106 for monomers with curvature 1.3. The full range of values possible for
1107 $cu_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:cub_graph}.
1108
1109 % \RZ{What about the opposite curvatures that actually do fit to each
1110 %   other?}
1111
1112
1113 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
1114 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
1115 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
1116 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
1117 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
1118 %   cones; rz}
1119
1120
1121 \begin{figure}
1122 <<cub_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1123 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1124 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1125 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1126 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1127 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1128                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1129 grid$z <- 7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1))
1130 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1131                 drape=TRUE,
1132                 box=NA,
1133                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1134                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1135                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1136                 zlab=list(label=expression(italic(cu[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1137 rm(grid)
1138 grid.text("A",
1139           just=c("left","top"),
1140           gp=gpar(fontsize=48),
1141           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1142           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1143 popViewport(1)
1144 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1145 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1146                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1147 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1)))
1148 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1149                 drape=TRUE,
1150                 strip=FALSE,
1151                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1152                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1153                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1154                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1155 rm(grid)
1156 grid.text("B",
1157           just=c("left","top"),
1158           gp=gpar(fontsize=48),
1159           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1160           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1161 popViewport(2)
1162
1163 \caption{Change in curvature backward ($cu_\mathrm{b}$) (A) or activation
1164   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
1165   curvature of the monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the
1166   average of the log of the curvature of the vesicle
1167   ($\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1168 \label{fig:cub_graph}
1169 \end{figure}
1170
1171
1172 \subsubsection{Length Backwards}
1173
1174 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
1175 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length~%
1176 \citep{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics}.
1177 Unfortunately, the experimental data known to us only measures the
1178 effect of chain lengths less than or equal to the bulk lipid, not the
1179 effect of lengths exceeding it, and is only known for one bulk lipid
1180 component (DOPC). We assume then, that the increase is in relationship
1181 to the average vesicle, and that lipids with larger acyl chain length
1182 will also show an increase in their dissociation constant.
1183
1184 \begin{equation}
1185   l_\mathrm{b} = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{vesicle}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
1186   \label{eq:length_backward}
1187 \end{equation}
1188
1189 The most common $\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $17.75$,
1190 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1191 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
1192 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12 
1193 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1194 for monomers with length near 18 to
1195 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1196 for monomers with length 24. The full range of possible values of
1197 $l_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:lb_graph}.
1198
1199 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
1200 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
1201 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. \RZ{see if we can use it
1202 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
1203 %   kcal/mol}).
1204
1205
1206 \begin{figure}
1207 <<lb_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1208 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1209 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1210 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1211 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1212 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1213                     y=seq(12,24,length.out=20))
1214 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))/1e6
1215 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1216                 drape=TRUE,
1217                 box=NA,
1218                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1219                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1220                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1221                 zlab=list(label=expression(italic(l[b])%*%10^-6),rot=93)),newpage=FALSE)
1222 rm(grid)
1223 grid.text("A",
1224           just=c("left","top"),
1225           gp=gpar(fontsize=48),
1226           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1227           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1228 popViewport(1)
1229 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1230 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1231                     y=seq(12,24,length.out=20))
1232 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
1233 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1234                 drape=TRUE,
1235                 strip=FALSE,
1236                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1237                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1238                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1239                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1240 rm(grid)
1241 grid.text("B",
1242           just=c("left","top"),
1243           gp=gpar(fontsize=48),
1244           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1245           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1246 popViewport(2)
1247
1248 \caption{Change in length backwards ($l_\mathrm{b}\times 10^{-6}$) (A) or activation energy
1249   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the length of the
1250   monomer leaving ($l_\mathrm{monomer}$) and the average length of
1251   lipids in the vesicle ($\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1252 \label{fig:lb_graph}
1253 \end{figure}
1254
1255
1256 \subsubsection{Complex Formation Backward}
1257
1258 Complex formation ($CF1$) describes the interaction between \ac{CHOL} and
1259 \ac{PC} or \ac{SM}, where \ac{PC} or \ac{SM} protects the hydroxyl group of \ac{CHOL} from
1260 interactions with water %
1261 \citep{Huang1999:chol_solubility_model,
1262   Huang1999:cholesterol_solubility, McConnell2006, McConnell2003}%
1263 . \ac{PC} ($CF1=2$) can interact with two \ac{CHOL}, and \ac{SM} ($CF1=3$) with three
1264 \ac{CHOL} ($CF1=-1$). If the average of $CF1$ is positive (excess of \ac{SM} and
1265 \ac{PC} with regards to complex formation), components with negative $CF1$
1266 (\ac{CHOL}) will be retained. If average $CF1$ is negative, components with
1267 positive $CF1$ are retained. An equation which has this property is
1268 $CF1_\mathrm{b}=a^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1269   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1270     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
1271 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the component have the same
1272 sign, or double the product if the signs are different. Based on
1273 activation energy considerations, we took an ad hoc base for $a$ as
1274 $1.5$.
1275
1276
1277 \begin{equation}
1278   CF1_\mathrm{b}=1.5^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
1279   \label{eq:complex_formation_backward}
1280 \end{equation}
1281
1282 The most common $\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $0.925$,
1283 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1284 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
1285 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1286 formation $-1$ to
1287 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1288 for monomers with complex formation $2$ to
1289 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1290 formation $0$. The full range of possible values for $CF1_\mathrm{b}$ are
1291 depicted in \cref{fig:cf1b_graph}.
1292
1293
1294
1295 \begin{figure}
1296 <<cf1b_graph,echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1297 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1298 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1299 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1300 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1301 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1302                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1303 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
1304 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1305                 drape=TRUE,
1306                 box=NA,
1307                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1308                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1309                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1310                 zlab=list(label=expression(italic(CF1[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1311 rm(grid)
1312 grid.text("A",
1313           just=c("left","top"),
1314           gp=gpar(fontsize=48),
1315           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1316           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1317 popViewport(1)
1318 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1319 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1320                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1321 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
1322 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1323                 drape=TRUE,
1324                 strip=FALSE,
1325                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1326                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1327                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1328                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1329 rm(grid)
1330 grid.text("B",
1331           just=c("left","top"),
1332           gp=gpar(fontsize=48),
1333           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1334           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1335 popViewport(2)
1336
1337 \caption{Change in complex formation 1 backwards ($CF1_\mathrm{b}$) (A) or
1338   activation energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus
1339   the complex formation of the monomer leaving
1340   ($CF1_\mathrm{monomer}$) and the average complex formation of the
1341   vesicle ($\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1342 \label{fig:cf1b_graph}
1343 \end{figure}
1344
1345 \section{Simulation Methodology}
1346
1347 \subsection{Overall Architecture}
1348
1349 The simulations are currently run using a program written in perl with
1350 various modules to handle the subsidiary parts. It produces output for
1351 each generation, including the step immediately preceding and
1352 immediately following a vesicle split (and optionally, each step) that
1353 is written to a state file which contains the state of the vesicle,
1354 environment, kinetic parameters, program invocation options, time, and
1355 various other parameters necessary to recreate the state vector at a
1356 given time. This output file is then read by a separate program in
1357 perl to produce different output which is generated out-of-band;
1358 output which includes graphs and statistical analysis is performed
1359 using R~\citep{R:maincite} (and various grid graphics modules) called
1360 from the perl program.
1361
1362 The separation of simulation and output generation allows refining
1363 output, and simulations performed on different versions of the
1364 underlying code to be compared using the same analysis methods and
1365 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
1366 generation, utilizing the same environment.
1367
1368 Random variables of different distributions are calculated using
1369 Math::Random (0.71), which is seeded for each run using entropy from
1370 the linux kernel's urandom device.
1371
1372 Code is available upon request.
1373
1374 \subsection{Environment Creation}
1375
1376 \subsubsection{Components}
1377 The environment contains concentrations of components. In the current
1378 set of simulations, there are \Sexpr{1+4*5*7} different possible
1379 components, consisting of \ac{PC}, PE, \ac{PS}, \ac{SM}, and \ac{CHOL}, with all lipids
1380 except for \ac{CHOL} having 5 possible unsaturations ranging from 0 to 4,
1381 and 7 lengths from $12,14,...,22$ ($7\cdot
1382 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment has less
1383 than the maximum number of components, the components are selected in
1384 order without replacement from a randomly shuffled deck of components
1385 (with the exception of \ac{CHOL}) represented once until the desired number
1386 of unique components is obtained. \ac{CHOL} is overrepresented
1387 $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid types, ensuring
1388 that the probability of \ac{CHOL} being absent in the environment is the
1389 same as the probability of any one of the other lipid types (\ac{PS}, PE,
1390 etc.) being absent. This reduces the number of simulations with a
1391 small number of components which are devoid of \ac{CHOL}.
1392
1393 \subsubsection{Concentrations}
1394 Once the components of the environment have been selected, their
1395 concentrations are determined. In experiments where the environmental
1396 concentration is the same across all lipid components, the
1397 concentration is set to $10^{-10}$~M. In other cases, the
1398 environmental concentration is set to a random number from a gamma
1399 distribution with shape parameter 2 and an average of
1400 $10^{-10}$~M. The base concentration ($10^{-10}$~M)
1401 can also be altered at the initialization of the experiment to
1402 specific values for specific lipid types or components.
1403
1404 The environment is a volume which is the maximum number of vesicles
1405 from a single simulation (4096) times the size of the vesicle
1406 (usually 10000) divided by Avagadro's number divided by the total
1407 environmental lipid concentration, or usually
1408 \Sexpr{4096*10000/6.022E23/141E-10}~L.
1409
1410 \subsection{Initial Vesicle Creation}
1411
1412 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
1413 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
1414 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
1415 and a mean of the per-simulation specified starting size, with a
1416 minimum of 5 lipid molecules, or can be specified to have a precise
1417 number of molecules. Lipid molecules are then selected to be added to
1418 the lipid membrane according to four different methods. In the
1419 constant method, molecules are added in direct proportion to their
1420 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
1421 proportion to their concentration in the environment scaled by a
1422 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
1423 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
1424 method, which adjust the probability of adding a molecule of a
1425 specific component by the concentration of that component, and then
1426 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
1427 also used in the first three methods to add any missing molecules to
1428 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
1429 add integer numbers of molecules. (For example, if a vesicle was to
1430 have 10 molecules split evenly between three lipid types, the 10th
1431 molecule would be assigned by randomly choosing between the three
1432 lipid types, weighted by their concentration in the environment.)
1433
1434 \subsection{Simulation Step}
1435
1436 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
1437 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
1438 parameters and state equation discussed above until the vesicle splits
1439 forming two progeny vesicles. The program then follows both vesicles
1440 and their progeny until the simulation reaches either the maximum
1441 number of vesicles (usually 4096), or the maximum simulation time
1442 (usually 100~s).
1443
1444 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
1445
1446 \label{sec:ves_prop}
1447 $S_\mathrm{vesicle}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
1448 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
1449 type has a different surface area; we assume that the lipid packing is
1450 optimal, and there is no empty space.
1451
1452 For the other vesicle properties (length, unsaturation, charge, and
1453 curvature), we calculate the mean, the standard deviation, the mean of
1454 the log, the mean of the absolute value of the log, the standard
1455 deviation of the log, and the standard deviation of the absolute value
1456 of the log. All cases, when we take the log, we take the log of the
1457 absolute value, and map $\log(0)$ to $0$. For the purpose of plotting
1458 vesicle properties, we only plot the mean of the property.
1459
1460 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
1461
1462 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
1463 ($n_i$) requires knowing $k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}$, the surface area of the
1464 vesicle $S_\mathrm{vesicle}$ (see \cref{sec:ves_prop}), the time interval
1465 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{\mathrm{f}i}$, and the
1466 concentration of the monomer in the environment
1467 $\left[C_{i\mathrm{monomer}}\right]$ (see \cref{eq:state}).
1468 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is calculated (see \cref{eq:kf_adj}) based on the
1469 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
1470 many cases as possible, experimentally based)
1471 (see \cref{sec:kinetic_adjustments} for details). $dt$ can be varied
1472 (see \cref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
1473 leads to the following:
1474
1475 $n_i = k_{\mathrm{f}i}k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{vesicle}\mathrm{N_A}dt$
1476
1477 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
1478 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
1479 of the integer molecules are the probability of adding a specific
1480 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
1481 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
1482 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
1483
1484 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
1485
1486 $n_i = k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i_\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{vesicle}}\mathrm{N_A}dt$.
1487
1488 Before addition or removal of molecules, the properties of the vesicle
1489 are calculated; this is done so that molecules can be considered to be
1490 added and removed at the same instant, even though additions are
1491 handled first programmatically. This also avoids cases where a removal
1492 would have resulted in a negative number of molecules for a particular
1493 type.
1494
1495 \subsubsection{Step duration}
1496 \label{sec:step_duration}
1497
1498 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
1499 split. In the current implementation, it starts with a value of
1500 $10^{-6}$~$\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
1501 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
1502 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
1503 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
1504 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
1505 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
1506 different experimental runs.
1507
1508 \subsubsection{Vesicle splitting}
1509
1510 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
1511 starting vesicle size, the vesicle splits. Molecules are assigned to
1512 the progeny vesicles at random, with each progeny vesicle having an
1513 equal chance of getting a single molecule. The number of molecules to
1514 assign to the first vesicle has binomial distribution with a
1515 probability of an event in each trial of 0.5 and a number of trials
1516 equal to the number of molecules.
1517
1518 \subsection{Output}
1519
1520 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
1521 immediately before and immediately after splitting are stored
1522 to produce later output.
1523
1524 % \section{Analyzing output}
1525
1526 % The analysis of output is handled by a separate perl program which
1527 % shares many common modules with the simulation program. Current output
1528 % includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
1529 % various graphs.
1530
1531 % \subsection{PCA plots}
1532
1533 % Two major groups of axes that contribute to vesicle variation between
1534 % subsequent generations are the components and properties of vesicles.
1535 % Each component in a vesicle is an axis on its own; it can be measured
1536 % either as an absolute number of molecules in each component, or the
1537 % fraction of molecules of that component over the total number of
1538 % molecules; the second approach is often more convenient, as it allows
1539 % vesicles with different number of molecules to be directly compared
1540 % (though it hides any effect of vesicle size).
1541
1542 % In order to visualize the variation between and transition of
1543 % subsequent generations of vesicles from their initial state in the
1544 % simulation, to their final state at the termination of the simulation,
1545 % we plot the projection of the generations onto the two principle PCA
1546 % axes (and alternatively, any pairing of the axes).
1547
1548 % \subsection{Carpet plots}
1549
1550 % Carpet plots show the distance/similarity between the composition or
1551 % properties of all generations in a single run. The difference between
1552 % each group of vesicle can be calculated using Euclidean distance
1553 % (properties and compositions) or H similarity (composition only). We
1554 % must use Euclidean distance for properties because the H distance
1555 % metric is invalid when comparing negative vector elements to positive
1556 % vector elements.
1557
1558 % In addition to showing distance or similarity, carpet plots also
1559 % depict propersomes and composomes as square boxes on the diagonals and
1560 % propertypes and compotypes as rectangles off the diagonals, each
1561 % propertype or compotype with a distinct color.
1562
1563 % \subsection{Propersomes, propertypes, composomes and compotypes}
1564
1565 % A generation is considered to be a propersome if it is less than $0.6$
1566 % units (by Euclidean distance of normalized properties) away from the
1567 % generation immediately following and preceding. Likewise, a generation
1568 % is in a composome if its H similarity is more than $0.9$ (by the
1569 % normalized H metric) from the preceding and following generations.
1570 % Propersomes and composomes are then assigned to propertypes and
1571 % compotypes using Paritioning Around Medioids
1572 % (PAM). All values of $k$ between 2 and 15
1573 % (or the number of propersomes and composomes, if that is less than 15)
1574 % are tried, and the clustering with the smallest
1575 % silhouette~\citep{Rousseeuw1987:silhouettes} is chosen as the ideal
1576 % clustering~\citep{Shenhav2005:pgard}.
1577
1578 \section*{Formalism}
1579
1580 The most current revision of this formalism is available at
1581 \url{https://git.donarmstrong.com/ool/lipid_simulation_formalism.git}.
1582 This document is  \gitMarkPref • \gitMark.
1583
1584 %\bibliographystyle{unsrtnat}
1585 %\bibliography{references.bib}
1586
1587 \printbibliography
1588
1589
1590 \end{document}