]> git.donarmstrong.com Git - ool/lipid_simulation_formalism.git/blobdiff - kinetic_formalism.Rnw
fix up CF1 explanation and length issues; remove complaint about unsaturation
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism.Rnw
index a1fa109a5e3f9c7652ef5d1cbbac263af879eb20..afd5984a9bc79ceee84952b0f991e12ac80d50ee 100644 (file)
@@ -148,6 +148,11 @@ $1.5$, which leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^1.5))}
 \frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
 
+It is not clear that the unsaturation of the inserted monomer will
+affect the rate of the insertion positively or negatively, so we do
+not include a term for it in this formalism.
+
+
 \setkeys{Gin}{width=3.2in}
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=5,height=5>>=
 curve(2^x,from=0,to=sd(c(0,4)),
@@ -254,11 +259,12 @@ is $10$, yielding:
   \label{eq:curvature_forward}
 \end{equation}
 
-The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around $0.013$, which
-with the most common $\mathrm{stdev} \log cu_\mathrm{vesicle}$ of
-$0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
-$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
-\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+The most common $\left|\left<\log {cu}_v\right>\right|$ is around
+$0.013$, which with the most common $\mathrm{stdev} \log
+cu_\mathrm{vesicle}$ of $0.213$ leads to a $\Delta \Delta G^\ddagger$
+of $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(10^(0.13*0.213)))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$. This is a consequence of the
+relatively matched curvatures in our environment.
 
 % 1.5 to 0.75 3 to 0.33
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
@@ -310,6 +316,19 @@ is 2, leading to:
   \label{eq:length_forward}
 \end{equation}
 
+The most common $\mathrm{stdev} l_\mathrm{ves}$ is around $3.4$, which leads to
+a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ of
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(2^(3.4)))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$.
+
+While it could be argued that increased length of the monomer could
+affect the rate of insertion into the membrane, it's not clear whether
+it would increase (by decreasing the number of available hydrogen
+bonds, for example) or decrease (by increasing the time taken to fully
+insert the acyl chain, for example) the rate of insertion or to what
+degree, so we do not take it into account in this formalism.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=5>>=
 curve(2^x,from=0,to=sd(c(12,24)),
       main="Length forward",
@@ -359,23 +378,29 @@ with some unsaturation is more favorable for lipids with more
 unsaturation than the equivalent amount of less unsatuturation, so the
 difference in energy between unsaturation is not linear. Therefore, an
 equation with the shape
-$x^{\left|y^{-\left<un_\mathrm{ves}\right>}-y^{-un_\mathrm{monomer}}\right|}$
+$x^{\left| y^{-\left< un_\mathrm{ves}\right> }-y^{-un_\mathrm{monomer}} \right| }$
 where $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is the average unsaturation of
 the vesicle, and $un_\mathrm{monomer}$ is the average unsaturation. In
 this equation, as the average unsaturation of the vesicle is larger,
 
-\textcolor{red}{I don't like this equation; the explanation above
-  seems really contrived. Need to discuss.}
-
 \begin{equation}
-  un_b = 10^{\left|3.5^{-\left<un_\mathrm{ves}\right>}-3.5^{-un_\mathrm{monomer}}\right|}
+  un_b = 7^{1-\left(20\left(2^{-\left<un_\mathrm{vesicle} \right>} - 2^{-un_\mathrm{monomer}} \right)^2+1\right)^{-1}}
   \label{eq:unsaturation_backward}
 \end{equation}
 
+The most common $\left<un_\mathrm{ves}\right>$ is around $1.7$, which leads to
+a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-0)^2+1))))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with 0 unsaturation
+to
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(5*(2^-1.7-2^-4)^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with 4 unsaturations.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
                     y=seq(0,4,length.out=20))
-grid$z <- 10^(abs(3.5^-grid$x-3.5^-grid$y))
+grid$z <- (7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1)))
 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
           drape=TRUE,
           scales=list(arrows=FALSE),
@@ -387,7 +412,7 @@ rm(grid)
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(0,4,length.out=20),
                     y=seq(0,4,length.out=20))
-grid$z <- to.kcal(10^(abs(3.5^-grid$x-3.5^-grid$y)))
+grid$z <- to.kcal((7^(1-1/(5*(2^-grid$x-2^-grid$y)^2+1))))
 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
           drape=TRUE,
           scales=list(arrows=FALSE),
@@ -398,18 +423,27 @@ rm(grid)
 @ 
 
 
+
 \newpage
 \subsubsection{Charge Backwards}
 As in the case of monomers entering a vesicle, monomers leaving a
 vesicle leave faster if their charge has the same sign as the average
-charge vesicle. An equation of the form $ch_b = x^{\left<ch_v\right>
-  ch_m}$ is then appropriate, and using a base of 20 for $x$ yields:
+charge vesicle. An equation of the form $ch_b = a^{\left<ch_v\right>
+  ch_m}$ is then appropriate, and using a base of $a=20$ yields:
 
 \begin{equation}
   ch_b = 20^{\left<{ch}_v\right> {ch}_m}
   \label{eq:charge_backwards}
 \end{equation}
 
+The most common $\left<ch_v\right>$ is around $-0.164$, which leads to
+a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(20^(-.164*-1)))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with charge $-1$ to
+$0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with charge $0$.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 x <- seq(-1,0,length.out=20)
 y <- seq(-1,0,length.out=20)
@@ -445,10 +479,8 @@ of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
 the difference is 0, $cu_f$ needs to be one. To map negative and
 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
 Increasing mismatches in curvature increase the rate of efflux, but
-asymptotically. \textcolor{red}{It is this property which the
-  unsaturation backwards equation does \emph{not} satisfy, which I
-  think it should.} An equation which satisfies this critera has the
-form $cu_f = a^{1-\left(b\left(\left<\log cu_\mathrm{vesicle} \right>
+asymptotically.  An equation which satisfies this critera has the
+form $cu_f = a^{1-\left(b\left( \left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right>
       -\log cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}$. An
 alternative form would use the aboslute value of the difference,
 however, this yields a cusp and sharp increase about the curvature
@@ -456,10 +488,19 @@ equilibrium, which is decidedly non-elegant. We have chosen bases of
 $a=7$ and $b=20$.
 
 \begin{equation}
-  cu_f = 7^{1-\left(20\left(\left<\log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer}\right)^2+1\right)^{-1}}
+  cu_b = 7^{1-\left(20\left(\left< \log cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log cu_\mathrm{monomer} \right)^2+1\right)^{-1}}
   \label{eq:curvature_backwards}
 \end{equation}
 
+The most common $\left<\log cu_\mathrm{ves}\right>$ is around $-0.013$, which leads to
+a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(0.8))^2+1))))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature 0.8
+to
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with curvature 1.3 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 1.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(0.8,1.33,length.out=20),
                     y=seq(0.8,1.33,length.out=20))
@@ -485,14 +526,32 @@ print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
 rm(grid)
 @ 
 
-
 \newpage
 \subsubsection{Length Backwards}
+
+In a model membrane, the dissociation constant increases by a factor
+of approximately 3.2 per carbon decrease in acyl chain length (Nichols
+1985). Unfortunatly, the experimental data known to us only measures
+chain length less than or equal to the bulk lipid, and does not exceed
+it, and is only known for one bulk lipid species (DOPC). We assume
+then, that the increase is in relationship to the average vesicle, and
+that lipids with larger acyl chain length will also show an increase
+in their dissociation constant.
+
 \begin{equation}
-  l_b = 3.2^{\left|l_\mathrm{ves}-l_\mathrm{monomer}\right|}
+  l_b = 3.2^{\left|\left<l_\mathrm{ves}\right>-l_\mathrm{monomer}\right|}
   \label{eq:length_backward}
 \end{equation}
 
+The most common $\left<\log l_\mathrm{ves}\right>$ is around $17.75$, which leads to
+a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(12-17.75)))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12
+to
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(3.2^abs(24-17.75)))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with length 24 to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near 18.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(12,24,length.out=20),
                     y=seq(12,24,length.out=20))
@@ -521,15 +580,43 @@ rm(grid)
 
 \newpage
 \subsubsection{Complex Formation Backward}
+
+Complex formation describes the interaction between CHOL and PC or SM,
+where PC or SM protects the hydroxyl group of CHOL from interactions
+with water, the ``Umbrella Model''. PC ($CF1=2$) can interact with two
+CHOL, and SM ($CF1=3$) with three CHOL ($CF1=-1$). If the average of
+$CF1$ is positive (excess of SM and PC with regards to complex
+formation), species with negative $CF1$ (CHOL) will be retained. If
+average $CF1$ is negative, species with positive $CF1$ are retained.
+An equation which has this property is
+$CF1_b=a^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
+  CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right>
+    CF1_\mathrm{monomer}\right|}$, where difference of the exponent is
+zero if the average $CF1$ and the $CF1$ of the specie have the same
+sign, or double the product if the signs are different. A convenient
+base for $a$ is $1.5$.
+
+
 \begin{equation}
-  CF1_b=1.5^{CF1_\mathrm{ves} CF1_\mathrm{monomer}-\left|CF1_\mathrm{ves} CF1_\mathrm{monomer}\right|}
+  CF1_b=1.5^{\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}-\left|\left<CF1_\mathrm{ves}\right> CF1_\mathrm{monomer}\right|}
   \label{eq:complex_formation_backward}
 \end{equation}
 
+The most common $\left<CF1_\mathrm{ves}\right>$ is around $0.925$,
+which leads to a range of $\Delta \Delta G^\ddagger$ from
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*-1-abs(0.925*-1))))}
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
+formation $-1$ to
+$\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(1.5^(0.925*2-abs(0.925*2))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with complex formation $2$ to
+$0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with complex
+formation $0$.
+
+
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
                     y=seq(-1,3,length.out=20))
-grid$z <- 3.2^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
+grid$z <- 1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y))
 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
           drape=TRUE,
           scales=list(arrows=FALSE),
@@ -541,7 +628,7 @@ rm(grid)
 <<fig=TRUE,echo=FALSE,results=hide,width=7,height=7>>=
 grid <- expand.grid(x=seq(-1,3,length.out=20),
                     y=seq(-1,3,length.out=20))
-grid$z <- to.kcal(3.2^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
+grid$z <- to.kcal(1.5^(grid$x*grid$y-abs(grid$x*grid$y)))
 print(wireframe(z~x*y,grid,cuts=50,
           drape=TRUE,
           scales=list(arrows=FALSE),