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