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