]> git.donarmstrong.com Git - ool/lipid_simulation_formalism.git/blob - kinetic_formalism_competition.Rnw
use knitr caching
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism_competition.Rnw
1 \documentclass[english,12pt]{article}
2 \usepackage{fancyhdr}
3 %\usepackage[pdftex]{graphicx}
4 \usepackage{graphicx}
5 \usepackage[bf]{caption2}
6 \usepackage{rotating}
7 \usepackage{multirow}
8 \usepackage{textcomp}
9 \usepackage{mathrsfs}
10 \usepackage{amssymb}
11 \usepackage{setspace}
12 \usepackage{txfonts}
13 \usepackage[light,all]{draftcopy}
14 \usepackage{fancyref}
15 \usepackage{acronym}
16 \usepackage{array}
17 \usepackage{dcolumn}
18 \usepackage{booktabs}
19 \usepackage[noblocks]{authblk}
20 \usepackage[hyperfigures,bookmarks,colorlinks,citecolor=black,filecolor=black,linkcolor=black,urlcolor=black]{hyperref}
21 \usepackage[sectionbib,sort&compress,numbers]{natbib}
22 \usepackage[nomargin,inline,draft]{fixme}
23 \usepackage[x11names,svgnames]{xcolor}
24 \usepackage{texshade}
25 \newenvironment{narrow}[2]{%
26   \begin{list}{}{%
27       \setlength{\topsep}{0pt}%
28       \setlength{\leftmargin}{#1}%
29       \setlength{\rightmargin}{#2}%
30       \setlength{\listparindent}{\parindent}%
31       \setlength{\itemindent}{\parindent}%
32       \setlength{\parsep}{\parskip}}%
33   \item[]}{\end{list}}
34 \newenvironment{paperquote}{%
35   \begin{quote}%
36      \it
37   }%
38   {\end{quote}}
39 \renewcommand{\textfraction}{0.15}
40 \renewcommand{\topfraction}{0.85}
41 \renewcommand{\bottomfraction}{0.65}
42 \renewcommand{\floatpagefraction}{0.60}
43 %\renewcommand{\baselinestretch}{1.8}
44 \newenvironment{enumerate*}%
45   {\begin{enumerate}%
46     \setlength{\itemsep}{0pt}%
47
48     \setlength{\parskip}{0pt}}%
49   {\end{enumerate}}
50 \newenvironment{itemize*}%
51   {\begin{itemize}%
52     \setlength{\itemsep}{0pt}%
53     \setlength{\parskip}{0pt}}%
54   {\end{itemize}}
55
56 \newcommand{\DLA}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{DLA: #1}}}
57
58 \newcommand{\RZ}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{RZ: #1}}}
59
60 \newcommand{\OM}[1]{\textcolor{red}{\fxnote{OM: #1}}}
61
62
63 %\SweaveOpts{prefix.string=pub_318_phys_bio_submission_figures_suppl/pub_318_phys_bio_sub_suppl_fig,pdf=TRUE,eps=TRUE}
64 \oddsidemargin 0.0in 
65 \textwidth 6.5in
66 \raggedbottom
67 \clubpenalty = 10000
68 \widowpenalty = 10000
69 \pagestyle{fancy}
70 \author{}
71 \title{Supplemental Material}
72 \date{}
73 % rubber: module bibtex
74 % rubber: module natbib
75 \onehalfspacing
76 \begin{document}
77 \maketitle
78
79 <<results='hide',echo=FALSE>>=
80 require(lattice)
81 require(grid)
82 require(Hmisc)
83 require(gridBase)
84 to.latex <- function(x){
85   gsub("\\\\","\\\\\\\\",latexSN(x))
86 }
87 # R in cal / mol K
88 to.kcal <- function(k,temp=300) {
89   gasconst <- 1.985
90   return(-gasconst*temp*log(k)/1000)
91 }
92
93
94 % \setcounter{figure}{0} \setcounter{table}{0} 
95 \makeatletter
96 \renewcommand{\thefigure}{S\@arabic\c@figure}
97 \renewcommand{\thetable}{S\@arabic\c@table}
98 \makeatother
99
100 \section{Competition Implementation}
101 \subsection{Implementation changes}
102
103 \begin{itemize}
104 \item settable maximum number of vesicles to track (default $10^4$)
105 \item start with 1~L ($10^{-3}$~m$^3$) cube
106 \item if at any point the number of vesicles exceeds the maximum
107   number, chop the volume and environment molecule number into tenths,
108   randomly select one tenth of the vesicles, and continue tracking.
109 \item generations will be counted per vesicle, and each progeny
110   vesicle will have a generation number one greater than the parental
111   vesicle.
112 \item 100 generations can result in as many as $2^{100}$
113   ($\Sexpr{to.latex(format(digits=3,2^100))}$) vesicles or as few as
114   101 vesicles.
115 \item Environment will use a specific number of each component instead
116   of a constant concentration; as the number may be larger than
117   \texttt{long long} ($2^{64}$), we use libgmp to handle an arbitrary
118   precision number of components
119 \end{itemize}
120
121 \subsection{Infrastructure changes}
122 \begin{itemize}
123 \item Rewrite core bits in C
124 \item Use libgmp for handling large ints
125 \item Use openmpi to split the calculations out over multiple
126   machines/processors and allow deploying to larger
127   clusters/supercomputers
128 \end{itemize}
129
130
131
132 \section{State Equation}
133 % double check this with the bits in the paper
134
135 For a system with monomers $(_\mathrm{monomer})$ and a vesicle
136 $(_\mathrm{vesicle})$, the change in composition of the $i$th component of
137 a lipid vesicle per change in time ($d \left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]/dt$)
138 can be described by a modification of the basic mass action law:
139
140 \begin{equation}
141   \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] -
142   k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]
143   \label{eq:state}
144 \end{equation}
145
146 The base forward kinetic parameter for the $i$th component is $k_{\mathrm{f}i}$
147 and is dependent on the particular lipid type (PC, PS, SM, etc.). The
148 forward adjustment parameter, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$, is based on the
149 properties of the vesicle and the specific component (type, length,
150 unsaturation, etc.) (see Equation~\ref{eq:kf_adj}, and
151 Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
152 $\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]$ is the molar concentration of
153 monomer of the $i$th component. $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$ is the surface
154 area of the vesicle per volume. The base backwards kinetic parameter
155 for the $i$th component is $k_{\mathrm{b}i}$ and its adjustment parameter
156 $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$ (see Equation~\ref{eq:kb_adj}, and
157 Section~\ref{sec:kinetic_adjustments}).
158 $\left[C_{i_\mathrm{vesicle}}\right]$ is the molar concentration of
159 the $i$th component in the vesicle.
160
161 \subsection{Per-Lipid Kinetic Parameters}
162
163 <<echo=FALSE,results='hide'>>=
164 kf.prime <- c(3.7e6,3.7e6,5.1e7,3.7e6,2.3e6)
165 kf <- (as.numeric(kf.prime)*10^-3)/(63e-20*6.022e23)
166
167
168 Each of the 5 lipid types has different kinetic parameters; where
169 available, these were taken from literature.
170
171 % \begin{table}
172 %   \centering
173 %   \begin{tabular}{c c c c c c c c}
174 %     \toprule
175 %     Type & $k_\mathrm{f}$ $\left(\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}\right)$ & $k'_\mathrm{f}$ $\left(\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}\right)$ & $k_\mathrm{b}$ $\left(\mathrm{s}^{-1}\right)$ & Area $\left({\AA}^2\right)$ & Charge & $\mathrm{CF}1$ & Curvature \\
176 %         \midrule
177 %     PC   & $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,scientific=TRUE,kf[1]))}$ & $3.7 \times 10^6$ & $2   \times 10^{-5}$ & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
178 %     PS   & $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,scientific=TRUE,kf[2]))}$ & $3.7 \times 10^6$ & $1.25\times 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
179 %     CHOL & $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,scientific=TRUE,kf[3]))}$ & $5.1 \times 10^7$ & $2.8 \times 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
180 %     SM   & $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,scientific=TRUE,kf[4]))}$ & $3.7 \times 10^6$ & $3.1 \times 10^{-3}$ & 61 & 0  & 3  & 0.8  \\
181 %     PE   & $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,scientific=TRUE,kf[5]))}$ & $2.3 \times 10^6$ & $1   \times 10^{-5}$ & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
182 %     \bottomrule
183 %   \end{tabular}
184 %   \caption{Kinetic parameters and molecular properties of lipid types}
185 %   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
186 % \end{table}
187
188 %%% \DLA{I think we may just reduce these three sections; area, $k_\mathrm{f}$
189 %%%   and $k_\mathrm{b}$ to Table~\ref{tab:kinetic_parameters_lipid_types} with
190 %%%   references.}
191 %%% 
192 %%% \RZ{Yes, but we also have to have then as comments the numbers that
193 %%%   are not supported by refs}
194
195 \subsubsection{$k_\mathrm{f}$ for lipid types}
196 $k_{\mathrm{f}_\mathrm{PC}}$ was measured by
197 \citet{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics} and
198 was found to be $3.7\times 10^6$~$\frac{1}{\mathrm{M}\mathrm{s}}$ by the
199 partitioning of P-C$_6$-NBD-PC between DOPC vesicles and water. As
200 similar references are not available for SM or PS, we assume that they have
201 the same $k_\mathrm{f}$. For CHOL, no direct measurement of $k_\mathrm{f}$ is available,
202 however, \citet{Estronca2007:dhe_kinetics} measured the transfer of
203 DHE from BSA to LUV, and found a $k_\mathrm{f}$ of $5.1\times 10^7$~%
204 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. We assume that this value is close
205 to that of CHOL, and use it for $k_{\mathrm{f}_\mathrm{CHOL}}$. In the case of
206 PE, \citet{Abreu2004:kinetics_ld_lo} measured the association of
207 NBD-DMPE with POPC LUV found a value for $k_\mathrm{f}$ of $2.3 \times 10^{6}$~%
208 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. These three authors used a slightly
209 different kinetic formalism ($\frac{d\left[A_v\right]}{dt} =
210 k'_\mathrm{f}[A_m][L_v] - k_\mathrm{b}[A_v]$), so we correct their values of $k_\mathrm{f}$ by
211 multiplying by the surface area of a mole of lipids.
212
213 \subsubsection{$k_\mathrm{b}$ for lipid types}
214
215 \citet{Wimley1990:dmpc_exchange} measured the half time for the
216 exchange of [$^3$H]DMPC between LUV at 30\textdegree C, and found it
217 to be 9.6 hr. As this is a first order reaction, and the primary
218 limiting step in exchange is lipid desorption, $k_\mathrm{b}$ for DMPC is
219 $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}=\frac{\log 2}{9.6 \times 60 \times 60} \approx
220 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(9.6*60*60),digits=2))}
221 \mathrm{s}^{-1}$. We assume that $k_\mathrm{b}$ for SM is the same as for PC.
222 To estimate the $k_\mathrm{b}$ of PE and PS, we used the data from
223 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} who measured the rate of
224 exchange of the fluorescent label C$_6$-NBD attached to different
225 lipid species. Although the values of kb are different for the labeled
226 and unlabeled lipids, we assume that the ratios of the kinetics
227 constants for the lipid types are the same. Furthermore we assume that
228 PG behaves similarly to PS. Thus, we can determine the $k_\mathrm{b}$ of PE and
229 PS from the already known $k_\mathrm{b}$ of PC. For C$_6$-NBD labeled PC,
230 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} obtained a $k_\mathrm{b}$ of
231 $0.89$~$\mathrm{min}^{-1}$, PE of $0.45$~$\mathrm{min}^{-1}$ and PG of
232 $0.55$~$\mathrm{min}^{-1}$. Assuming the ratios of the rate of
233 exchange are the same for unlabeled lipids and labeled lipids, we can
234 determine the $k_\mathrm{b}$ of PE and PS from the already known $k_\mathrm{b}$ of
235 PC~\citep{Wimley1990:dmpc_exchange}. Calculating the ratio, this leads
236 us to $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PE}} =
237 \frac{k_{\mathrm{b}_\mathrm{PC}}\times\mathrm{PE}}{\mathrm{PC}} \approx
238 \frac{2\times 10^{-5}\,\mathrm{s}^{-1} \times
239   0.45\,\mathrm{min}^{-1}}{0.89\,\mathrm{min}^{-1}} \approx
240 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(9.6*60*60)*0.45/0.89,digits=2))}$~$\mathrm{s}^{-1}$
241 and likewise, $k_{\mathrm{b}_\mathrm{PS}}\approx
242 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(9.6*60*60)*0.55/0.89,digits=3))}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
243 The $k_\mathrm{b}$ of SM was determined using the work of
244 \citet{Bai1997:lipid_movementbodipy}, who measured spontaneous
245 transfer of C$_5$-DMB-SM and C$_5$-DMB-PC from donor and acceptor
246 vesicles, finding $3.4\times10^{-2}$~$\mathrm{s}^{-1}$ and
247 $2.2\times10^{-3}$~$\mathrm{s}^{-1}$ respectively; using the ratio of
248 $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-SM to the $k_\mathrm{b}$ of C$_5$-DMB-PC times the $k_\mathrm{b}$ of
249 PC ($\frac{3.4 \times 10^{-2}\mathrm{s}^{-1}}{2.2 \times
250   10^{-3}\mathrm{s}^{-1}}
251 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(9.6*60*60),digits=2))}\mathrm{s}^{-1}$,
252 we obtain $k_{\mathrm{b}_\mathrm{SM}} \approx
253 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(9.6*60*60)*3.4e-2/2.2e-3,digits=2,scientific=TRUE))}$.
254 In the case of CHOL, \citet{Jones1990:lipid_transfer} measured the
255 $t_{1/2}$ of [$^3$H] transfer from POPC vesicles and found it to be 41
256 minutes, leading to a $k_{\mathrm{b}_\mathrm{CHOL}} = \frac{\log 2}{41\times
257   60} \approx
258 \Sexpr{to.latex(format(log(2)/(41*60),digits=2,scientific=TRUE))}$~$\mathrm{s}^{-1}$.
259
260 \subsubsection{Headgroup Surface Area for lipid types}
261
262 % Smondyrev, A. M., and M. L. Berkowitz. 1999b. United atom force
263 % field for phospholipid membranes: constant pressure molecular
264 % dynamics simulation of dipalmitoylphosphatidicholine/water system.
265 % J. Comput. Chem. 50:531–545.
266
267 Different lipids have different headgroup surface areas, which contributes to
268 $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$. \citet{Smaby1997:pc_area_with_chol}
269 measured the surface area of POPC with a Langmuir film balance, and
270 found it to be 63~$\AA^2$ at $30$~$\frac{\mathrm{mN}}{\mathrm{m}}$.
271 Molecular dynamic simulations found an area of 54 $\AA^2$ for
272 DPPS\citep{Cascales1996:mds_dpps_area,Pandit2002:mds_dpps}, which is
273 in agreement with the experimental value of 56~$\AA^2$ found using a
274 Langmuir balance by \citet{Demel1987:ps_area}.
275 \citet{Shaikh2002:pe_phase_sm_area} measured the area of SM using a
276 Langmuir film balance, and found it to be 61~$\AA^2$. Using $^2$H NMR,
277 \citet{Thurmond1991:area_of_pc_pe_2hnmr} found the area of
278 DPPE-d$_{62}$ to be 55.4 $\AA^2$. \citet{Robinson1995:mds_chol_area}
279 found an area for CHOL of 38~$\AA^2$ using molecular dynamic
280 simulations.
281
282 % robinson's chol area is kind of crappy; they did it using MDS, but
283 % vaguely; they don't indicate what it was at the end, and they only
284 % had 2 molecules of CHOL.
285
286
287
288 % PC: 63 A (Smaby97rd) (Pandit (?)
289 % PS: 54 A (Pandit02LIB) (Cascales 1996; J. Chem. Phys 104:2713, Mukhopadhyay2004)
290 % CHOL:  38 A (Robinson 1995) (Lundberg 1982)
291 % SM: 51 A (Shaikh2002, but 61(?))
292 % PE: 55 A (Thurmond, 1991) (Pandit2002)
293
294 % Compare to results by Petrache2004 with DOPC of 72.5, DOPS of 65.3.
295
296 % The cross‑sectional area of cholesterol is ~37 Öµ2 (Lundberg, B. 1982. A
297 % surface film study of the lateral packing of phosphatidylcholine and
298 % cholesterol. Chem. Phys. Lipids. 31:23-32).
299
300 % From Pandit02LIB: the area per headgroup for PE is ~10‑20\% (Thurmond
301 % et al., 1991) smaller than the area per PC molecule. For DLPE, it is
302 % 50.6 Öµ2 (McIntosh and Simon, 1986; Damodaran et al., 1992). The
303 % estimated area per molecule for DPPE is ~55.4 Öµ2 (Thurmond et al.,
304 % 1991).
305
306 % From Pandit02LIB: (from their simulations) average area per headgroup
307 % for DPPS molecules is 53.75 Â± 0.10 Öµ2. The values inferred from the
308 % experiments are in the region between 45 and 55 Öµ2 (Cevc et al., 1981.
309 % Titration of the phase transition of phosphatidylserine bilayer
310 % membranes. Effect of pH, surface electrostatics, ion binding, and
311 % head‑group hydration. Biochemistry. 20:4955‑4965; | Demel et al.,
312 % 1987. Monolayer characteristics and thermal behavior of natural and
313 % synthetic phosphatidylserines. Biochemistry. 26:8659‑8665). Note that
314 % the average area per headgroup for DPPC bilayer obtained from
315 % simulations and measurements is ~62 Öµ A2. One would expect that the
316 % area per headgroup in case of DPPS molecules will be larger than the
317 % area per DPPC molecule, because the headgroups of DPPS are charged and
318 % therefore repel each other. Contrary to this expectation, the area per
319 % headgroup in DPPS is ~13\% smaller than that of DPPC. López Cascales
320 % et al. (1996. Molecular dynamics simulation of a charged biological
321 % membrane. J. Chem. Phys. 104:2713‑2720.) proposed that this reduction
322 % in the area per headgroup is due to a strong intermolecular
323 % coordination between DPPS molecules. MD gave area per POPS of 55 A2 at
324 % 300K (Mukhopadhyay04LIB).
325
326 % However, by 2H NMR and X-ray, Petrache04LIB determined the area of
327 % DOPS at 30 C to be 65.3 A2, considerably smaller than DOPC, determined
328 % by the same group in another paper to be 72.5 Öµ A2
329 % (Tristram‑Nagle00LIB).
330
331 % From Shaikh02: At 35 mN/m of surface pressure, the areas/molecule for
332 % POPE, SM, and CHOL were found to be 65.2, 61.1, and 38.8 Ã…2.
333
334 % In Lonchin99: POPC area 72 A2 ((a) Cornell, B. A.; Middlehurst, J.;
335 % Separovic, F. Biochim. Biophys. Acta1980, 598, 405−410), oleic acid
336 % area 32 A2 ((a) Small, D. M. In Handbook of Lipid Research; Hanahan,
337 % D. J., Ed.; Plenum Press:  New York, 1986; Vol. 4, Chapter 9.
338
339 % (b) Jain, M. K. Introduction to Biological Membranes, 2nd ed.; John
340 % Wiley \& Sons:  New York, 1988; Chapter 3). Cistola, D. P.; Atkinson,
341 % D.; Hamilton, J. A.; Small, D. M. Biochemistry1986, 25, 2804−2812.
342
343 % From Marsh96: The values obtained for the headgroup area per molecule,
344 % fitted as free parameters in Fig. 6, are APE = 58 A2 and APC = 78 A2,
345 % for DOPE and DOPC, respectively. These values are within the range
346 % obtained for the corresponding areas per molecule of
347 % phosphatidylethanolamines and phosphatidylcholines in the fluid
348 % lamellar phase (see, e.g., Marsh, 1990), and correspond to values for
349 % the lipid packing parameter of V/Al = 1.08 and 1.34 for DOPC and DOPE,
350 % respectively. The former value is consistent with DOPC alone forming
351 % hydrated lamellar structures rather than nonlamellar structures. The
352 % latter value lies at the lower end of the packing parameters obtained
353 % for phosphatidylethanolamines.
354
355 % From Kumar91: The head group area chosen was 71.7 A2 for PC and
356 % lysoPC, 42 A2 for PE, and 19 A2 for Chol (5, 14). The value selected
357 % for PC is in agreement with the 71 A2 value determined for PCs with
358 % saturated acyl chains (14). The hydrocarbon volume and the length
359 % chosen for Chol are 400 A3 and 17.25 A, respectively (5).
360
361
362
363 % From Sampaio05: Besides this work and our own earlier report on the
364 % association of NBD-DMPE with lipid bilayers (Abreu et al., 2004), we
365 % are aware of only one other report in the literature (Nichols, 1985)
366 % in which all the kinetic constants of lipid-derived amphiphile
367 % association with lipid bilayer membranes were experimentally measured.
368 % {indeed; everything is k- !!!; rz}
369
370 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
371 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
372 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
373 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
374 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
375 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
376 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
377 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
378 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
379
380 % From Toyota08: Recently, several research groups have reported
381 % self-reproducing systems of giant vesicles that undergo a series of
382 % sequential transformations: autonomous growth, self-division, and
383 % chemical reactions to produce membrane constituents within the giant
384 % vesicles.44-47
385
386 % Vesicle sizes of 25 nm for SUV and 150 nm for LUV were mentioned by
387 % Thomas02.
388
389 % From Lund-Katz88: Charged and neutral small unilamellar vesicles
390 % composed of either saturated PC, unsaturated PC, or SM had similar
391 % size distributions with diameters of 23 \& 2 nm.
392
393 % From Sampaio05LIB: The exchange of lipids and lipid derivatives
394 % between lipid bilayer vesicles has been studied for at least the last
395 % 30 years. Most of this work has examined the exchange of amphiphilic
396 % molecules between a donor and an acceptor population. The measured
397 % efflux rates were shown in almost all cases, not surprisingly, to be
398 % first order processes. In all of this work, the insertion rate has
399 % been assumed to be much faster than the efflux rate. Having measured
400 % both the insertion and desorption rate constants for amphiphile
401 % association with membranes, our results show that this assumption is
402 % valid. In several cases reported in the literature, the insertion rate
403 % constant was assumed, although never demonstrated, to be a
404 % diffusion-controlled process.
405
406 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
407 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
408 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. {see if we can use it
409 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
410 %   kcal/mol; rz}).
411
412 % Jones90 give diameter of LUV as 100 nm, and of SUV as 20 nm; that
413 % would give the number of molecules per outer leaflet of a vesicle as
414 % 1500.
415
416 % Form Simard08: Parallel studies with SUV and LUV revealed that
417 % although membrane curvature does have a small effect on the absolute
418 % rates of FA transfer between vesicles, the Î”G of membrane desorption
419 % is unchanged, suggesting that the physical chemical properties which
420 % govern FA desorption are dependent on the dissociating molecule rather
421 % than on membrane curvature. However, disagreements on this fundamental
422 % issue continue (57, 61, 63, 64)
423
424 % (methods regarding the curvature effect: Kleinfeld93 showed that the
425 % transfer parameters of long-chain FFA between the lipid vesicles
426 % depend on vesicle curvature and composition. Transfer of stearic acid
427 % is much slower from LUV as compared to SUV).
428
429 % From McLean84: In a well-defined experimental system consisting of
430 % unilamellar lipid vesicles, in the absence of protein, the
431 % rate-limiting step for the overall exchange process is desorption
432 % (McLean \& Phillips, 1981). {thus I can take exchange data for the
433 %   estimation of k- rz; 8/11/08}.
434
435 \subsubsection{Complex Formation 1}
436
437 \citet{Thomas1988:chol_transfer} found that SM significantly decreases
438 the rate of cholesterol transfer from PC, while PE and PS have no
439 effect at physiologically significant levels. We attribute this to the
440 formation of complexes between SM and CHOL, which retards the rate of
441 efflux of CHOL from the membrane. Similar complexes exist between PC
442 and CHOL, where it was shown that two CHOL molecules complex with one
443 PC~\citep{Huang1999:chol_solubility_model,
444   Huang1999:cholesterol_solubility,McConnell2006,McConnell2003}. It
445 has also been shown that SM binds more CHOL molecules than
446 PC~\citep{Katz1988:pl_packing_chol}. We assume that three CHOL complex
447 with one SM, leading to $\mathrm{CF}1$ values of $3$, $2$, and $-1$
448 for SM, PC, and CHOL, respectively.
449
450 \subsubsection{Curvature}
451
452 We used the formulation for curvature of
453 \citet{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}, or $S=\frac{v}{l_c
454   a}$, where $S$ is the curvature, which ranges from $0$ to $\infty$,
455 $l_c$ is the critical length of the acyl chain, $v$ is the volume of
456 the lipid, and $a$ is the area of the head group.
457 \citet{Kumar1991:lipid_packing} found a value for $S$ of 1.33 for PE,
458 1.21 for CHOL, and 0.8 for diC$_{16}$ PC. We assume that PS has neutral
459 curvature (value of 1), and that SM has the same curvature as PC
460 (0.8). It should also be noted that in reality the curvature parameter
461 changes with length, but at longer chain lengths, is effectively
462 constant; in the current model, curvature is held constant for each
463 species.
464
465
466 % 1. Israelachvili, J. N., Mitchell, D. J. & Ninham, B. W. (1976) J.
467 %    Chem. Soc. Faraday Trans. 2 72, 1525-1568.
468 % 2. Israelachvili, J. N., Marcelja, S. & Horn, R. G. (1980) Q. Rev.
469 %    Biophys. 13, 121-200.
470 % 3. Israelachvili, J. N. (1985) Intermolecular and Surface Forces
471 %    (Academic, New York), pp. 229-271.
472
473 % \DLA{This section needs to be added still.}
474
475 % PE = 1.33     (Kumar91)
476 % CHOL = 1.21           (Kumar91)
477 % PC=0.8        (Kumar91)
478 % SM=0.8        (assumed by rz same as PC)
479 % PS=1          (no refs so far; should be close to unity; rz)
480
481 % From Epand94LIB: a considerable amount of heat is evolved per mole of
482 % bilayer stabilizer when such molecules are inserted into membranes
483 % which are under a high curvature strain. If this energy were coupled
484 % to a membrane event, such as the conformational change in a protein,
485 % it could be the driving force responsible for such processes.
486
487 % From Epand94LIB: considerable energy may be released upon the
488 % incorporation of certain molecules into membranes which have a low
489 % radius of spontaneous curvature. {discuss with DL in terms of
490 %   catalytic activity; rz; 8/24/2010}.
491
492 % Kleinfeld93 showed that the transfer parameters of long-chain FFA
493 % between the lipid vesicles depend on vesicle curvature and
494 % composition. Transfer of stearic acid is much slower from LUV as
495 % compared to SUV.
496
497 % Substitution of DPPC SUV for POPC SUV as the donor matrix revealed
498 % some differences in the energetics of transfer that are associated
499 % with the physical state of the donor particle. Whereas the free
500 % energies of transfer of oleic acid from DPPC SUV and POPC SUV are
501 % similar, the free energy of transfer of stearic acid from DPPC SUV is
502 % much higher than that observed from POPC.
503
504 % From Kumar91: S is given by S = V/al, where V is the hydrocarbon
505 % volume, a is the area of head group, and l is the critical length of
506 % the hydrocarbon chain (1-3). a, V, and I are all estimable or
507 % measurable (4), and the value of S can be calculated. The value of S
508 % determines the aggregate formed by lipids or any amphiphiles upon
509 % hydration. It has been shown that lipids aggregate to form spherical
510 % micelles (S < 1/3), nonspherical (cylindrical) micelles (1/3 < S <
511 % 1/2), bilayers (1/2 < S < 1), and reverse micelles or hexagonal (HII,)
512 % phases (S > 1). However, theoreticians caution that the above
513 % predicted limits set on the values of S are relatively insensitive to
514 % the exact values of V and a but are strongly dependent upon the choice
515 % of l (5).
516
517 % From Kumar91: Cylindrical and wedge-shaped molecules have been shown
518 % to be essential for spontaneous vesiculation (6) as well as bilayer
519 % stabilization (7, 8).
520
521 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
522 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
523 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
524 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
525 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
526 %   cones; rz}
527
528 \section{Kinetic adjustments}
529 \label{sec:kinetic_adjustments}
530
531 In the mass action equation used in the formalism, both the forward
532 and backwards kinetic constants ($k_\mathrm{f}$ and $k_\mathrm{b}$) are adjusted (by
533 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ and $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$) to reflect the
534 properties of the vesicle and the properties of the monomer entering
535 or exiting the vesicle.
536
537 \subsection{Forward Kinetic Adjustments}
538
539 The forward rate constant adjustment, $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ takes into
540 account unsaturation ($un_\mathrm{f}$), charge ($ch_\mathrm{f}$), curvature ($cu_\mathrm{f}$),
541 length ($l_\mathrm{f}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{f}$), each of which is
542 modified depending on the specific component and the vesicle into
543 which the component is entering; the final $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is the
544 product of the adjustments made separately for each property.
545
546 \begin{equation}
547   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}
548   \label{eq:kf_adj}
549 \end{equation}
550
551 \subsubsection{Unsaturation Forward}
552
553 In order for a lipid to be inserted into a membrane, a void has to be
554 formed for it to fill. Voids can be generated by the combination of
555 unsaturated and saturated lipids forming heterogeneous domains. Void
556 formation is increased when the unsaturation of lipids in the vesicle
557 is widely distributed; in other words, the insertion of lipids into
558 the membrane is greater when the standard deviation of the
559 unsaturation is larger %
560 %%% \RZ{May need to site (at least for us) works showing
561 %%%   mismatch-dependent ``defects''}. %
562 Assuming that an increase in width of the distribution linearly
563 decreases the free energy of activation, the $un_\mathrm{f}$ parameter must
564 follow $a^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}$ where $a > 1$,
565 so a convenient starting base for $a$ which leads to a reasonable
566 change in Eyring activation energy is $2$:
567
568 \begin{equation}
569   un_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)}
570   \label{eq:unsaturation_forward}
571 \end{equation}
572
573 The mean $\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$ in our
574 simulations is around $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta
575 G^\ddagger$ of $\Sexpr{to.latex(format(digits=3,to.kcal(2^1.5)))}
576 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and a total range of possible
577 values depicted in Figure~\ref{fig:unf_graph}.
578
579 % \RZ{Explain here, or even earlier that the formulas were ad hoc
580 %   adjusted to correspond to ``reasonable'' changes in the Eyring
581 %   activation energies.}
582
583 % It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
584 % affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
585 % not include a term for it in this formalism.
586
587
588 \setkeys{Gin}{width=6.4in}
589 \begin{figure}
590 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=10,fig.height=5>>=
591 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
592 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
593       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
594       ylab=expression(italic(un[f])))
595 vps <- baseViewports()
596 pushViewport(vps$figure)
597 grid.text("A",
598           just=c("left","top"),
599           gp=gpar(fontsize=48),
600           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
601           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
602 popViewport()
603 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(0,4)),
604       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(un[vesicle]),")"))),
605       ylab="Activation Energy (kcal/mol)")
606 vps <- baseViewports()
607 pushViewport(vps$figure)
608 grid.text("B",
609           just=c("left","top"),
610           gp=gpar(fontsize=48),
611           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
612           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
613 popViewport()
614
615 \caption{Change in unsaturation forward ($un_\mathrm{f}$) (A) or activation
616   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
617   standard deviation of the unsaturation of the vesicle
618   ($\mathrm{stdev}\left(un_\mathrm{vesicle}\right)$).}
619 \label{fig:unf_graph}
620 \end{figure}
621
622 \subsubsection{Charge Forward}
623
624 A charged lipid such as PS approaching a vesicle with an average
625 charge of the same sign will experience repulsion, whereas those with
626 different signs will experience attraction, the degree of which is
627 dependent upon the charge of the monomer and the average charge of the
628 vesicle. If either the vesicle or the monomer has no charge, there
629 should be no effect of charge upon the rate. This leads us to the
630 following equation, $a^{-\left<ch_v\right> ch_m}$ (which is similar to
631 the numerator of Coulomb's law), where $\left<ch_v\right>$ is the
632 average charge of the vesicle, and $ch_m$ is the charge of the
633 monomer. If either $\left<ch_v\right>$ or $ch_m$ is 0, the adjustment
634 parameter is 1 (no change), whereas it decreases if both are positive
635 or negative, as the product of two real numbers with the same sign is
636 always positive. The base for $a$ ($60$) was chosen ad hoc to
637 correspond to a maximum of about
638 $0.5\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ change in activation energy
639 for the common case, resulting in the following equation:
640
641
642 \begin{equation}
643   ch_\mathrm{f} = 60^{-\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
644   \label{eq:charge_forward}
645 \end{equation}
646
647 The most common $\left<{ch}_v\right>$ is around $-0.165$, which leads
648 to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
649 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(60^(-.165*-1)))}
650 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ to
651 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$, and the total range of possible
652 values seen in Figure~\ref{fig:chf_graph}.
653
654
655 \begin{figure}
656 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
657 trellis.device(new=F,color=TRUE)
658 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
659 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
660 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
661 x <- seq(-1,0,length.out=20)
662 y <- seq(-1,0,length.out=20)
663 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
664 grid$z <- as.vector(60^(-outer(x,y)))
665 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
666                 drape=TRUE,
667                 box=NA,
668                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
669                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
670                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
671                 zlab=list(label=expression(italic(ch[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
672 rm(x,y,grid)
673 grid.text("A",
674           just=c("left","top"),
675           gp=gpar(fontsize=48),
676           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
677           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
678 popViewport(1)
679 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
680 x <- seq(-1,0,length.out=20)
681 y <- seq(-1,0,length.out=20)
682 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
683 grid$z <- as.vector(to.kcal(60^(-outer(x,y))))
684 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
685                 drape=TRUE,
686                 strip=FALSE,
687                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
688                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
689                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
690                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
691 rm(x,y,grid)
692 grid.text("B",
693           just=c("left","top"),
694           gp=gpar(fontsize=48),
695           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
696           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
697 popViewport(2)
698
699 \caption{Change in charge forward ($ch_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
700   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
701   monomer entering ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
702   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
703 \label{fig:chf_graph}
704 \end{figure}
705
706 \subsubsection{Curvature Forward}
707
708 Curvature is a measure of the intrinsic propensity of specific lipids
709 to form micelles (positive curvature), inverted micelles (negative
710 curvature), or planar sheets (neutral
711 curvature)~\citep{Israelachvili1975:amphiphile_self_assembly}. %
712 In this formalism, curvature is measured as the ratio of the volume of
713 the lipid to the area of the head times the length of the lipid
714 ($S=\frac{v}{l_c a}$), so negative curvature is bounded by $(0,1)$,
715 neutral curvature is 1, and positive curvature is bounded by
716 $(1,\infty)$. The curvature can be transformed using $\log$, which has
717 the property of making the range of positive and negative curvature
718 equal, and distributed about 0.
719
720 As in the case of unsaturation, void formation is increased by the
721 presence of lipids with mismatched curvature. Thus, a larger
722 distribution of curvature in the vesicle increases the rate of lipid
723 insertion into the vesicle. However, a component with curvature
724 $cu^{-1}$ will cancel out a component with curvature $cu$, so we have
725 to log transform (turning these into $-\log cu$ and $\log cu$), then
726 take the absolute value ($\log cu$ and $\log cu$), and finally measure
727 the width of the distribution, which in the case of exactly mismatched
728 curvatures is $0$. Thus, by using the log transform to make the range
729 of the lipid curvature equal between positive and negative, and taking
730 the average to cancel out exactly mismatched curvatures, we come to an
731 equation with the shape $a^{\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>}$.
732 An ad hoc base for $a$ which for the common case is $10$, yielding:
733
734
735 \begin{equation}
736  % cu_\mathrm{f} = 10^{\mathrm{stdev}\left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
737   cu_\mathrm{f} = 10^{\left|\left<\log cu_\mathrm{monomer} \right>\right|\mathrm{stdev} \left|\log cu_\mathrm{vesicle}\right|}
738   \label{eq:curvature_forward}
739 \end{equation}
740
741 The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
742 $0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
743 cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
744 of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
745 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
746 relatively matched curvatures in our environment. The full range of
747 $cu_\mathrm{f}$ values possible are shown in Figure~\ref{fig:cuf_graph}.
748
749 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
750 \begin{figure}
751 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
752 trellis.device(new=F,color=TRUE)
753 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
754 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
755 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
756 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
757                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),
758                       sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
759                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
760                       mean(log(c(1,0.33))),
761                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
762 grid$z <- 10^(grid$x*grid$y)
763 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
764                 drape=TRUE,
765                 box=NA,
766                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
767                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
768                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
769                 zlab=list(label=expression(italic(cu[f])),rot=93)),newpage=FALSE)
770 rm(grid)
771 grid.text("A",
772           just=c("left","top"),
773           gp=gpar(fontsize=48),
774           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
775           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
776 popViewport(1)
777 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
778 grid <- expand.grid(x=seq(0,max(c(sd(abs(log(c(1,3)))),
779                       sd(abs(log(c(1,0.33)))),sd(abs(log(c(0.33,3)))))),length.out=20),
780                     y=seq(0,max(c(mean(log(c(1,3)),
781                       mean(log(c(1,0.33))),
782                       mean(log(c(0.33,3)))))),length.out=20))
783 grid$z <- to.kcal(10^(grid$x*grid$y))
784 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
785                 drape=TRUE,
786                 box=NA,
787                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
788                 xlab=list(label=expression(paste(stdev,group("(",italic(log(cu[vesicle])),")"))),rot=30),
789                 ylab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(log(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=-35),
790                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
791 rm(grid)
792 grid.text("B",
793           just=c("left","top"),
794           gp=gpar(fontsize=48),
795           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
796           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
797 popViewport(2)
798
799 \caption{Change in curvature forward ($cu_\mathrm{f}$) (A) or activation energy
800   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
801   deviation of the log of the curvature of the vesicle
802   ($\mathrm{stdev}\left(\log cu_\mathrm{vesicle}\right)$) and the mean
803   of the log of the curvature of the vesicle ($\left<\log
804     cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
805 \label{fig:cuf_graph}
806 \end{figure}
807
808 \subsubsection{Length Forward}
809
810 As in the case of unsaturation, void formation is easier when vesicles
811 are made up of components of mismatched lengths. Thus, when the width
812 of the distribution of lengths is larger, the forward rate should be
813 greater as well, leading us to an equation of the form
814 $x^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}$, where $\mathrm{stdev}
815 l_\mathrm{vesicle}$ is the standard deviation of the length of the
816 components of the vesicle, which has a maximum possible value of
817 $\Sexpr{format(digits=3,sd(c(rep(12,50),rep(24,50))))}$ and a minimum
818 of 0 in this set of simulations. Based on activation energy, a
819 reasonable base for $x$ is 2, leading to:
820
821 \begin{equation}
822   l_\mathrm{f} = 2^{\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}}
823   \label{eq:length_forward}
824 \end{equation}
825
826 The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{vesicle}$ is around $3.4$, which leads to
827 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
828 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
829 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
830
831 % While it could be argued that increased length of the monomer could
832 % affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
833 % it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
834 % bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
835 % insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
836 % degree, so we do not take it into account in this formalism.
837
838 % \DLA{Incorporate McLean84 here}
839 % From McLean84LIB: Although it is difficult to measure cmc values for
840 % the sparingly soluble lipids used in this study, estimates for
841 % lysopalmitoylphosphatidylcholine( 7 X l0-6 M; Haberland \& Reynolds,
842 % 1975), cholesterol (12.1 X 10-8 M, extrapolated to infinite dilution;
843 % Haberland \& Reynolds, 1973), and dipalmitoylphosphatidylcholine (4.6
844 % X l0-10 M; Smith \& Tanford, 1972) are available. A value of 1.1 X
845 % 10-8 M for DMPC was estimated from the linear relationship between ln
846 % cmc and the number of carbons in the PC acyl chain by using data for n
847 % = 7, 8, 10, and 16 [summarized in Tanford (1980)].
848
849 % From Nichols85: The magnitude of the dissociation rate constant
850 % decreases by a factor of approximately 3.2 per carbon increase in acyl
851 % chain length (see Table II here) {take into account for the formula;
852 %   rz 8/17/2010}.
853
854 % From Nichols85: The magnitude of the partition coefficient increases
855 % with acyl chain length [Keq(M-C6-NBD-PC) = (9.8±2.1) X 106 M-1 and Keq
856 % (P-C6-NBD-PC) = (9.4±1.3) x 107 M-1. {take into account for the
857 %   formula; rz 8/17/2010}.
858
859 % From Nichols85: The association rate constant is independent of acyl
860 % chain length. {take into account for the formula; rz 8/17/2010}.
861
862
863
864 \begin{figure}
865 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=5>>=
866 layout(matrix(1:2,nrow=1,ncol=2))
867 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
868       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
869       ylab=expression(italic(l[f])),
870       las=1
871       )
872 vps <- baseViewports()
873 pushViewport(vps$figure)
874 grid.text("A",
875           just=c("left","top"),
876           gp=gpar(fontsize=48),
877           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
878           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
879 popViewport()
880 curve(to.kcal(2^x),from=0,to=sd(c(12,24)),
881       xlab=expression(paste(stdev,group("(",italic(l[vesicle]),")"))),
882       ylab="Activation Energy (kcal/mol)",
883       las=1)
884 vps <- baseViewports()
885 pushViewport(vps$figure)
886 grid.text("B",
887           just=c("left","top"),
888           gp=gpar(fontsize=48),
889           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
890           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
891 popViewport()
892
893 \caption{Change in length forward ($l_\mathrm{f}$) (A) or activation energy in
894   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the standard
895   deviation of the length of the vesicle
896   ($\mathrm{stdev}\left(l_\mathrm{vesicle}\right)$).}
897 \label{fig:lf_graph}
898 \end{figure}
899
900 \subsubsection{Complex Formation}
901 There is no contribution of complex formation to the forward reaction
902 rate in the current formalism.
903
904 \begin{equation}
905   CF1_\mathrm{f}=1
906   \label{eq:complex_formation_forward}
907 \end{equation}
908
909 \subsection{Backward adjustments ($k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$)}
910
911 Just as the forward rate constant adjustment $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$
912 does, the backwards rate constant adjustment $k_{\mathrm{b}i\mathrm{adj}}$
913 takes into account unsaturation ($un_\mathrm{b}$), charge ($ch_\mathrm{b}$), curvature
914 ($cu_\mathrm{b}$), length ($l_\mathrm{b}$), and complex formation ($CF1_\mathrm{b}$), each of
915 which are modified depending on the specific component and the vesicle
916 from which the component is exiting:
917
918
919 \begin{equation}
920   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}
921   \label{eq:kb_adj}
922 \end{equation}
923
924 \subsubsection{Unsaturation Backward}
925
926 Unsaturation also influences the ability of a lipid molecule to leave
927 a membrane. If a molecule has an unsaturation level which is different
928 from the surrounding membrane, it will be more likely to leave the
929 membrane. The more different the unsaturation level is, the greater
930 the propensity for the lipid molecule to leave. However, a vesicle
931 with some unsaturation (eg. average unsaturation of 2) is more
932 favorable for lipids with more unsaturation (eg. 3) than lipids with
933 equivalently less unsaturation (eg. 1), so the difference in energy
934 between unsaturation is not linear. Therefore, an equation with the
935 shape $x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{vesicle}\right>
936     }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$, where
937 $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is the average unsaturation of the
938 vesicle and $un_\mathrm{monomer}$ is the unsaturation of the monomer,
939 allows for increasing the efflux of molecules from membranes where
940 they strongly mismatch, while allowing vesicles with greater
941 unsaturation to tolerate greater unsaturation mismatch between
942 monomers and the vesicle. The bases x and y were chosen ad hoc to
943 produce reasonable Eyring energies of activation over the range of
944 unsaturations expected, leading to:
945
946
947 \begin{equation}
948   un_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
949   \label{eq:unsaturation_backward}
950 \end{equation}
951
952 The most common $\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $1.7$, which
953 leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
954 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
955 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
956 to
957 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
958 for monomers with 4 unsaturations. See Figure~\ref{fig:unb_graph} for
959 the full range of possible values.
960
961
962 \begin{figure}
963 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
964 trellis.device(new=F,color=TRUE)
965 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
966 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
967 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
968 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
969                     y=seq(0,4,length.out=20))
970 grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
971 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
972                 drape=TRUE,
973                 box=NA,
974                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
975                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
976                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
977                 zlab=list(label=expression(italic(un[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
978 grid.text("A",
979           just=c("left","top"),
980           gp=gpar(fontsize=48),
981           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
982           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
983 popViewport(1)
984 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
985 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
986                     y=seq(0,4,length.out=20))
987 grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
988 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
989                 drape=TRUE,
990                 strip=FALSE,
991                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
992                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(un[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
993                 ylab=list(label=expression(italic(un[monomer])),rot=-35),
994                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
995 rm(grid)
996 grid.text("B",
997           just=c("left","top"),
998           gp=gpar(fontsize=48),
999           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1000           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1001 popViewport(2)
1002
1003 \caption{Change in unsaturation backward ($un_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
1004   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the unsaturation of the
1005   monomer leaving ($un_\mathrm{monomer}$) and the average unsaturation of
1006   the vesicle ($\left<un_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1007 \label{fig:unb_graph}
1008 \end{figure}
1009
1010 \subsubsection{Charge Backwards}
1011 As in the case of monomers entering a vesicle, monomers leaving a
1012 vesicle leave faster if their charge has the same sign as the average
1013 charge vesicle. An equation of the form $ch_\mathrm{b} = a^{\left<ch_v\right>
1014   ch_m}$ is then appropriate, and using a base of $a=20$ yields:
1015
1016 \begin{equation}
1017   ch_\mathrm{b} = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
1018   \label{eq:charge_backwards}
1019 \end{equation}
1020
1021 The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
1022 a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1023 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
1024 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
1025 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $0$.
1026 See Figure~\ref{fig:chb_graph} for the full range of possible values
1027 of $ch_\mathrm{b}$.
1028
1029
1030 \begin{figure}
1031 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1032 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1033 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1034 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1035 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1036 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1037 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1038 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1039 grid$z <- as.vector(20^(outer(x,y)))
1040 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1041                 drape=TRUE,
1042                 box=NA,
1043                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1044                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1045                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1046                 zlab=list(label=expression(italic(ch[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1047 rm(x,y,grid)
1048 grid.text("A",
1049           just=c("left","top"),
1050           gp=gpar(fontsize=48),
1051           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1052           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1053 popViewport(1)
1054 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1055 x <- seq(-1,0,length.out=20)
1056 y <- seq(-1,0,length.out=20)
1057 grid <- expand.grid(x=x,y=y)
1058 grid$z <- to.kcal(as.vector(20^(outer(x,y))))
1059 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1060                 drape=TRUE,
1061                 strip=FALSE,
1062                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1063                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(ch[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1064                 ylab=list(label=expression(italic(ch[monomer])),rot=-35),
1065                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1066 rm(x,y,grid)
1067 grid.text("B",
1068           just=c("left","top"),
1069           gp=gpar(fontsize=48),
1070           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1071           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1072 popViewport(2)
1073
1074 \caption{Change in charge backward ($ch_\mathrm{b}$) (A) or activation energy in
1075   $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the charge of the
1076   monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the average charge of
1077   the vesicle ($\left<ch_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1078 \label{fig:chb_graph}
1079 \end{figure}
1080
1081
1082 \subsubsection{Curvature Backwards}
1083
1084 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
1085 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
1086 the difference is 0, $cu_\mathrm{f}$ needs to be one. To map negative and
1087 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
1088 Positive and negative curvature lipids cancel each other out,
1089 resulting in an average curvature of 0; the average of the log also
1090 has this property. Increasing mismatches in curvature increase the
1091 rate of efflux, but asymptotically. An equation which satisfies these
1092 criteria has the form $cu_\mathrm{f} = a^{1-\left(b\left( \left< \log
1093         cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log
1094       cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An alternative
1095 form would use the absolute value of the difference, however, this
1096 yields a cusp and sharp increase about the curvature equilibrium. We
1097 have chosen bases of $a=7$ and $b=20$ ad hoc, based on activation
1098 energy considerations.
1099
1100 \begin{equation}
1101   cu_\mathrm{b} = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
1102   \label{eq:curvature_backwards}
1103 \end{equation}
1104
1105 The most common $\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$ is around
1106 $-0.013$, which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1107 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
1108 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8 to
1109 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1110 for monomers with curvature 1.3 to
1111 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near
1112 1. The full range of values possible for $cu_\mathrm{b}$ are shown in
1113 Figure~\ref{fig:cub_graph}
1114
1115 % \RZ{What about the opposite curvatures that actually do fit to each
1116 %   other?}
1117
1118
1119 % From Kumar91: It has also been shown experimentally that molecules
1120 % having complementary molecular shapes can form bilayer structures.
1121 % Inverted cone (wedge)- shaped lysoPC and cone-shaped Chol or
1122 % unsaturated PE can interact stoichiometrically to form bilayer
1123 % structures (9-12). {quote to justify our formula for complementary
1124 %   cones; rz}
1125
1126
1127 \begin{figure}
1128 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1129 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1130 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1131 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1132 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1133 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1134                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1135 grid$z <- 7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1))
1136 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1137                 drape=TRUE,
1138                 box=NA,
1139                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1140                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1141                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1142                 zlab=list(label=expression(italic(cu[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1143 rm(grid)
1144 grid.text("A",
1145           just=c("left","top"),
1146           gp=gpar(fontsize=48),
1147           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1148           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1149 popViewport(1)
1150 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1151 grid <- expand.grid(x=log(seq(0.8,1.33,length.out=20)),
1152                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
1153 grid$z <- to.kcal(7^(1-1/(20*(grid$x-log(grid$y))^2+1)))
1154 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1155                 drape=TRUE,
1156                 strip=FALSE,
1157                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1158                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),log(italic(cu[vesicle])),symbol("\361"))),rot=30),
1159                 ylab=list(label=expression(italic(cu[monomer])),rot=-35),
1160                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1161 rm(grid)
1162 grid.text("B",
1163           just=c("left","top"),
1164           gp=gpar(fontsize=48),
1165           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1166           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1167 popViewport(2)
1168
1169 \caption{Change in curvature backward ($cu_\mathrm{b}$) (A) or activation
1170   energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the
1171   curvature of the monomer leaving ($ch_\mathrm{monomer}$) and the
1172   average of the log of the curvature of the vesicle
1173   ($\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1174 \label{fig:cub_graph}
1175 \end{figure}
1176
1177
1178 \subsubsection{Length Backwards}
1179
1180 In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
1181 of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length~%
1182 \citep{Nichols1985:phospholipid_monomer_vesicle_thermodynamics}.
1183 Unfortunately, the experimental data known to us only measures the
1184 effect of chain lengths less than or equal to the bulk lipid, not the
1185 effect of lengths exceeding it, and is only known for one bulk lipid
1186 component (DOPC). We assume then, that the increase is in relationship
1187 to the average vesicle, and that lipids with larger acyl chain length
1188 will also show an increase in their dissociation constant.
1189
1190 \begin{equation}
1191   l_\mathrm{b} = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{vesicle}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
1192   \label{eq:length_backward}
1193 \end{equation}
1194
1195 The most common $\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $17.75$,
1196 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1197 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
1198 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12 to
1199 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1200 for monomers with length 24 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1201 for monomers with length near 18. The full range of possible values of
1202 $l_\mathrm{b}$ are shown in Figure~\ref{fig:lb_graph}
1203
1204 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
1205 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
1206 % 2.1 kJ mol-' per methylene group, respectively. \RZ{see if we can use it
1207 %   to justify arranging our changed in activating energy around 1
1208 %   kcal/mol}).
1209
1210
1211 \begin{figure}
1212 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1213 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1214 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1215 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1216 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1217 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1218                     y=seq(12,24,length.out=20))
1219 grid$z <- 3.2^(abs(grid$x-grid$y))/1e6
1220 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1221                 drape=TRUE,
1222                 box=NA,
1223                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1224                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1225                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1226                 zlab=list(label=expression(italic(l[b])%*%10^-6),rot=93)),newpage=FALSE)
1227 rm(grid)
1228 grid.text("A",
1229           just=c("left","top"),
1230           gp=gpar(fontsize=48),
1231           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1232           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1233 popViewport(1)
1234 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1235 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
1236                     y=seq(12,24,length.out=20))
1237 grid$z <- to.kcal(3.2^(abs(grid$x-grid$y)))
1238 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1239                 drape=TRUE,
1240                 strip=FALSE,
1241                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1242                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(l[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1243                 ylab=list(label=expression(italic(l[monomer])),rot=-35),
1244                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1245 rm(grid)
1246 grid.text("B",
1247           just=c("left","top"),
1248           gp=gpar(fontsize=48),
1249           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1250           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1251 popViewport(2)
1252
1253 \caption{Change in length backwards ($l_\mathrm{b}\times 10^{-6}$) (A) or activation energy
1254   in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus the length of the
1255   monomer leaving ($l_\mathrm{monomer}$) and the average length of
1256   lipids in the vesicle ($\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1257 \label{fig:lb_graph}
1258 \end{figure}
1259
1260
1261 \subsubsection{Complex Formation Backward}
1262
1263 Complex formation ($CF1$) describes the interaction between CHOL and
1264 PC or SM, where PC or SM protects the hydroxyl group of CHOL from
1265 interactions with water %
1266 \citep{Huang1999:chol_solubility_model,
1267   Huang1999:cholesterol_solubility, McConnell2006, McConnell2003}%
1268 . PC ($CF1=2$) can interact with two CHOL, and SM ($CF1=3$) with three
1269 CHOL ($CF1=-1$). If the average of $CF1$ is positive (excess of SM and
1270 PC with regards to complex formation), components with negative $CF1$
1271 (CHOL) will be retained. If average $CF1$ is negative, components with
1272 positive $CF1$ are retained. An equation which has this property is
1273 $CF1_\mathrm{b}=a^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1274   CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>
1275     CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
1276 zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the component have the same
1277 sign, or double the product if the signs are different. Based on
1278 activation energy considerations, we took an ad hoc base for $a$ as
1279 $1.5$.
1280
1281
1282 \begin{equation}
1283   CF1_\mathrm{b}=1.5^{\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
1284   \label{eq:complex_formation_backward}
1285 \end{equation}
1286
1287 The most common $\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$ is around $0.925$,
1288 which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
1289 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
1290 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1291 formation $-1$ to
1292 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
1293 for monomers with complex formation $2$ to
1294 $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
1295 formation $0$. The full range of possible values for $CF1_\mathrm{b}$ are
1296 depicted in Figure~\ref{fig:cf1b_graph}.
1297
1298
1299
1300 \begin{figure}
1301 <<echo=FALSE,results='hide',fig.width=14,fig.height=7>>=
1302 trellis.device(new=F,color=TRUE)
1303 trellis.par.set(list(axis.line =list(col="transparent")))
1304 pushViewport(viewport(layout=grid.layout(nrow=1,ncol=2),clip="off"))
1305 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=1,clip="off"))
1306 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1307                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1308 grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
1309 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1310                 drape=TRUE,
1311                 box=NA,
1312                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1313                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1314                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1315                 zlab=list(label=expression(italic(CF1[b])),rot=93)),newpage=FALSE)
1316 rm(grid)
1317 grid.text("A",
1318           just=c("left","top"),
1319           gp=gpar(fontsize=48),
1320           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1321           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1322 popViewport(1)
1323 pushViewport(viewport(layout.pos.row=1,layout.pos.col=2,clip="off"))
1324 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
1325                     y=seq(-1,3,length.out=20))
1326 grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
1327 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
1328                 drape=TRUE,
1329                 strip=FALSE,
1330                 scales=list(arrows=F,col=1,distance=0.75),
1331                 xlab=list(label=expression(paste(symbol("\341"),italic(CF1[vesicle]),symbol("\361"))),rot=30),
1332                 ylab=list(label=expression(italic(CF1[monomer])),rot=-35),
1333                 zlab=list(label="Activation Energy (kcal/mol)",rot=93)),newpage=FALSE)
1334 rm(grid)
1335 grid.text("B",
1336           just=c("left","top"),
1337           gp=gpar(fontsize=48),
1338           y=unit(1,"npc")-unit(0.25,"lines"),
1339           x=unit(0,"npc")+unit(0.25,"lines"))
1340 popViewport(2)
1341
1342 \caption{Change in complex formation 1 backwards ($CF1_\mathrm{b}$) (A) or
1343   activation energy in $\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ (B) versus
1344   the complex formation of the monomer leaving
1345   ($CF1_\mathrm{monomer}$) and the average complex formation of the
1346   vesicle ($\left<CF1_\mathrm{vesicle}\right>$).}
1347 \label{fig:cf1b_graph}
1348 \end{figure}
1349
1350 \section{Simulation Methodology}
1351
1352 \subsection{Overall Architecture}
1353
1354 The simulations are currently run using a program written in perl with
1355 various modules to handle the subsidiary parts. It produces output for
1356 each generation, including the step immediately preceding and
1357 immediately following a vesicle split (and optionally, each step) that
1358 is written to a state file which contains the state of the vesicle,
1359 environment, kinetic parameters, program invocation options, time, and
1360 various other parameters necessary to recreate the state vector at a
1361 given time. This output file is then read by a separate program in
1362 perl to produce different output which is generated out-of-band;
1363 output which includes graphs and statistical analysis is performed
1364 using R~\citep{R:maincite} (and various grid graphics modules) called
1365 from the perl program.
1366
1367 The separation of simulation and output generation allows refining
1368 output, and simulations performed on different versions of the
1369 underlying code to be compared using the same analysis methods and
1370 code. It also allows later simulations to be restarted from a specific
1371 generation, utilizing the same environment.
1372
1373 Random variables of different distributions are calculated using
1374 Math::Random (0.71), which is seeded for each run using entropy from
1375 the linux kernel's urandom device.
1376
1377 Code is available upon request.
1378
1379 \subsection{Environment Creation}
1380
1381 \subsubsection{Components}
1382 The environment contains concentrations of components. In the current
1383 set of simulations, there are \Sexpr{1+4*5*7} different possible
1384 components, consisting of PC, PE, PS, SM, and CHOL, with all lipids
1385 except for CHOL having 5 possible unsaturations ranging from 0 to 4,
1386 and 7 lengths from $12,14,...,22$ ($7\cdot
1387 5\cdot4+1=\Sexpr{1+4*5*7}$). In cases where the environment has less
1388 than the maximum number of components, the components are selected in
1389 order without replacement from a randomly shuffled deck of components
1390 (with the exception of CHOL) represented once until the desired number
1391 of unique components is obtained. CHOL is overrepresented
1392 $\Sexpr{5*7}$ times to be at the level of other lipid types, ensuring
1393 that the probability of CHOL being absent in the environment is the
1394 same as the probability of any one of the other lipid types (PS, PE,
1395 etc.) being absent. This reduces the number of simulations with a
1396 small number of components which are devoid of CHOL.
1397
1398 \subsubsection{Concentrations}
1399 Once the components of the environment have been selected, their
1400 concentrations are determined. In experiments where the environmental
1401 concentration is the same across all lipid components, the
1402 concentration is set to $10^{-10}\mathrm{M}$. In other cases, the
1403 environmental concentration is set to a random number from a gamma
1404 distribution with shape parameter 2 and an average of
1405 $10^{-10}\mathrm{M}$. The base concentration ($10^{-10}\mathrm{M}$)
1406 can also be altered at the initialization of the experiment to
1407 specific values for specific lipid types or components.
1408
1409 \subsection{Initial Vesicle Creation}
1410
1411 Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
1412 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
1413 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
1414 and a mean of the per-simulation specified starting size, with a
1415 minimum of 5 lipid molecules. Lipid molecules are then selected to be
1416 added to the lipid membrane according to four different methods. In
1417 the constant method, molecules are added in direct proportion to their
1418 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
1419 proportion to their concentration in the environment scaled by a
1420 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
1421 proportion to a uniform random value. The final method is a binomial
1422 method, which adjust the probability of adding a molecule of a
1423 specific component by the concentration of that component, and then
1424 adds the molecules one by one to the membrane. This final method is
1425 also used in the first three methods to add any missing molecules to
1426 the starting vesicle which were unallocated due to the requirement to
1427 add integer numbers of molecules. (For example, if a vesicle was to
1428 have 10 molecules split evenly between three lipid types, the 10th
1429 molecule would be assigned by randomly choosing between the three
1430 lipid types, weighted by their concentration in the environment.)
1431
1432 \subsection{Simulation Step}
1433
1434 Once the environment has been created and the initial vesicle has been
1435 formed, molecules join and leave the vesicle based on the kinetic
1436 parameters and state equation discussed above until the vesicle splits
1437 forming two progeny vesicles, one of which the program continues to
1438 follow.
1439
1440 \subsubsection{Calculation of Vesicle Properties}
1441
1442 \label{sec:ves_prop}
1443 $S_\mathrm{vesicle}$ is the surface area of the vesicle, and is the sum of
1444 the surface area of all of the individual lipid components; each lipid
1445 type has a different surface area; we assume that the lipid packing is
1446 optimal, and there is no empty space.
1447
1448 For the other vesicle properties (length, unsaturation, charge, and
1449 curvature), we calculate the mean, the standard deviation, the mean of
1450 the log, the mean of the absolute value of the log, the standard
1451 deviation of the log, and the standard deviation of the absolute value
1452 of the log. All cases, when we take the log, we take the log of the
1453 absolute value, and map $\log(0)$ to $0$. For the purpose of plotting
1454 vesicle properties, we only plot the mean of the property.
1455
1456 \subsubsection{Joining and Leaving of Lipid Molecules}
1457
1458 Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
1459 ($n_i$) requires knowing $k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}$, the surface area of the
1460 vesicle $S_\mathrm{vesicle}$ (see Section \ref{sec:ves_prop}), the time interval
1461 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{\mathrm{f}i}$, and the
1462 concentration of the monomer in the environment
1463 $\left[C_{i\mathrm{vesicle}}\right]$ (see Equation~\ref{eq:state}).
1464 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is calculated (see Equation~\ref{eq:kf_adj}) based on the
1465 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
1466 many cases as possible, experimentally based)
1467 (see Section~\ref{sec:kinetic_adjustments} for details). $dt$ can be varied
1468 (see Section~\ref{sec:step_duration}), but for a given step is constant. This
1469 leads to the following:
1470
1471 $n_i = k_{\mathrm{f}i}k_{\mathrm{f}i_\mathrm{adj}}\left[C_{i_\mathrm{monomer}}\right]S_\mathrm{vesicle}\mathrm{N_A}dt$
1472
1473 In the cases where $n_i > 1$, the integer number of molecules is
1474 added. Fractional $n_i$ or the fractional remainder after the addition
1475 of the integer molecules are the probability of adding a specific
1476 molecule, and are compared to a uniformly distributed random value
1477 between 0 and 1. If the random value is less than or equal to the
1478 fractional part of $n_i$, an additional molecule is added.
1479
1480 Molecules leaving the vesicle are handled in a similar manner, with 
1481
1482 $n_i = k_{\mathrm{b}i}k_{\mathrm{b}i_\mathrm{adj}}C_{i_\mathrm{vesicle}}\mathrm{N_A}dt$.
1483
1484 Before addition or removal of molecules, the properties of the vesicle
1485 are calculated; this is done so that molecules can be considered to be
1486 added and removed at the same instant, even though additions are
1487 handled first programmatically. This also avoids cases where a removal
1488 would have resulted in a negative number of molecules for a particular
1489 type.
1490
1491 \subsubsection{Step duration}
1492 \label{sec:step_duration}
1493
1494 $dt$ is the time taken for each step of joining, leaving, and checking
1495 split. In the current implementation, it starts with a value of
1496 $10^{-6}$~$\mathrm{s}$ but this is modified in between each step if the
1497 number of molecules joining or leaving is too large or small. If more
1498 than half of the starting vesicle size molecules join or leave in a
1499 single step, $dt$ is reduced by half. If less than the starting
1500 vesicle size molecules join or leave in 100 steps, $dt$ is doubled.
1501 This is necessary to curtail run times and to automatically adjust to
1502 different experimental runs.
1503
1504 \subsubsection{Vesicle splitting}
1505
1506 If a vesicle has grown to a size which is more than double the
1507 starting vesicle size, the vesicle splits. Molecules are assigned to
1508 the progeny vesicles at random, with each progeny vesicle having an
1509 equal chance of getting a single molecule. The number of molecules to
1510 assign to the first vesicle has binomial distribution with a
1511 probability of an event in each trial of 0.5 and a number of trials
1512 equal to the number of molecules.
1513
1514 \subsection{Output}
1515
1516 The environment, initial vesicle, and the state of the vesicle
1517 immediately before and immediately after splitting are stored
1518 to produce later output.
1519
1520 \section{Analyzing output}
1521
1522 The analysis of output is handled by a separate perl program which
1523 shares many common modules with the simulation program. Current output
1524 includes simulation progress, summary tables, summary statistics, and
1525 various graphs.
1526
1527 \subsection{PCA plots}
1528
1529 Two major groups of axes that contribute to vesicle variation between
1530 subsequent generations are the components and properties of vesicles.
1531 Each component in a vesicle is an axis on its own; it can be measured
1532 either as an absolute number of molecules in each component, or the
1533 fraction of molecules of that component over the total number of
1534 molecules; the second approach is often more convenient, as it allows
1535 vesicles with different number of molecules to be directly compared
1536 (though it hides any effect of vesicle size).
1537
1538 In order to visualize the variation between and transition of
1539 subsequent generations of vesicles from their initial state in the
1540 simulation, to their final state at the termination of the simulation,
1541 we plot the projection of the generations onto the two principle PCA
1542 axes (and alternatively, any pairing of the axes).
1543
1544 \subsection{Carpet plots}
1545
1546 Carpet plots show the distance/similarity between the composition or
1547 properties of all generations in a single run. The difference between
1548 each group of vesicle can be calculated using Euclidean distance
1549 (properties and compositions) or H similarity (composition only). We
1550 must use Euclidean distance for properties because the H distance
1551 metric is invalid when comparing negative vector elements to positive
1552 vector elements.
1553
1554 In addition to showing distance or similarity, carpet plots also
1555 depict propersomes and composomes as square boxes on the diagonals and
1556 propertypes and compotypes as rectangles off the diagonals, each
1557 propertype or compotype with a distinct color.
1558
1559 \subsection{Propersomes, propertypes, composomes and compotypes}
1560
1561 A generation is considered to be a propersome if it is less than $0.6$
1562 units (by Euclidean distance of normalized properties) away from the
1563 generation immediately following and preceding. Likewise, a generation
1564 is in a composome if its H similarity is more than $0.9$ (by the
1565 normalized H metric) from the preceding and following generations.
1566 Propersomes and composomes are then assigned to propertypes and
1567 compotypes using Paritioning Around Medioids
1568 (PAM). All values of $k$ between 2 and 15
1569 (or the number of propersomes and composomes, if that is less than 15)
1570 are tried, and the clustering with the smallest
1571 silhouette~\citep{Rousseeuw1987:silhouettes} is chosen as the ideal
1572 clustering~\citep{Shenhav2005:pgard}.
1573
1574
1575 \bibliographystyle{unsrtnat}
1576 \bibliography{references.bib}
1577
1578
1579 \end{document}