]> git.donarmstrong.com Git - ool/lipid_simulation_formalism.git/blobdiff - kinetic_formalism_competition.Rnw
add missing DPPE acronym
[ool/lipid_simulation_formalism.git] / kinetic_formalism_competition.Rnw
index 2a47cf45e9154e5c6ea02824029f3d195a925c38..2ceb8116b3df87f6f9adfed6c26dccc4e0671654 100644 (file)
 \usepackage{array}
 \usepackage{dcolumn}
 \usepackage{booktabs}
-\usepackage[noblocks]{authblk}
 \usepackage[backend=biber,natbib=true,hyperref=true,citestyle=numeric-comp,style=nature,autocite=inline]{biblatex}
 \addbibresource{references.bib}
 \usepackage[hyperfigures,bookmarks,colorlinks,citecolor=black,filecolor=black,linkcolor=black,urlcolor=black]{hyperref}
+\usepackage[noblocks,auth-sc]{authblk}
 \usepackage[capitalise]{cleveref}
+\usepackage[markifdraft,raisemark=0.01\paperheight,draft]{gitinfo2}
 %\usepackage[sectionbib,sort&compress,numbers]{natbib}
 % \usepackage[nomargin,inline,draft]{fixme}
 %\usepackage[x11names,svgnames]{xcolor}
 \clubpenalty = 10000
 \widowpenalty = 10000
 \pagestyle{fancy}
-\author{}
-\title{Supplemental Material}
-\date{}
-% rubber: module bibtex
-% rubber: module natbib
+\title{Kinetic formalism for R-GARD Simulations}
+\author[1,2]{Don Armstrong}
+%\ead{don@donarmstrong.com}
+\author[2]{Raphael Zidovetzki}
+%\ead{raphael.zidovetzki@ucr.edu}
+\affil[1]{Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA}
+\affil[2]{Cell Biology and Neuroscience, University of California at Riverside, Riverside, CA, USA}
+\affil[ ]{don@donarmstrong.com, raphael.zidovetzki@ucr.edu}
+%\date{}
 \onehalfspacing
 \begin{document}
 \maketitle
@@ -63,7 +68,7 @@
 <<load.libraries,echo=FALSE,results="hide",warning=FALSE,message=FALSE,error=FALSE,cache=FALSE>>=
 opts_chunk$set(dev="CairoPDF",out.width="\\columnwidth",out.height="0.7\\textheight",out.extra="keepaspectratio")
 opts_chunk$set(cache=TRUE, autodep=TRUE)
-options(scipen = -2, digits = 1)
+options(scipen = -1, digits = 2)
 library("lattice")
 library("grid")
 library("Hmisc")
@@ -151,24 +156,27 @@ kf <- (as.numeric(kf.prime)*10^-3)/(63e-20*6.022e23)
 @ 
 
 Each of the 5 lipid types has different kinetic parameters; where
-available, these were taken from literature.
-
-% \begin{table}
-%   \centering
-%   \begin{tabular}{c c c c c c c c}
-%     \toprule
-%     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 \\
-%         \midrule
-%     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  \\
-%     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    \\
-%     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 \\
-%     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  \\
-%     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 \\
-%     \bottomrule
-%   \end{tabular}
-%   \caption{Kinetic parameters and molecular properties of lipid types}
-%   \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
-% \end{table}
+available, these were taken from literature (\cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types}).
+
+\begin{table}
+  \centering
+  \begin{tabular}{c c c c c c c c}
+    \toprule
+    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 $\left(\mathrm{Å}^2\right)$ & Charge & $\mathrm{CF}1$ & Curvature \\
+    \midrule
+    PC   & $\Sexpr{kf[1]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $2   \times 10^{-5}$ & 63 & 0  & 2  & 0.8  \\
+    PS   & $\Sexpr{kf[2]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $1.25\times 10^{-5}$ & 54 & -1 & 0  & 1    \\
+    CHOL & $\Sexpr{kf[3]}$ & $5.1 \times 10^7$ & $2.8 \times 10^{-4}$ & 38 & 0  & -1 & 1.21 \\
+    SM   & $\Sexpr{kf[4]}$ & $3.7 \times 10^6$ & $3.1 \times 10^{-3}$ & 61 & 0  & 3  & 0.8  \\
+    PE   & $\Sexpr{kf[5]}$ & $2.3 \times 10^6$ & $1   \times 10^{-5}$ & 55 & 0  & 0  & 1.33 \\
+    \bottomrule
+  \end{tabular}
+  \caption{Kinetic parameters and molecular properties of lipid types}
+  \label{tab:kinetic_parameters_lipid_types}
+\end{table}
 
 %%% \DLA{I think we may just reduce these three sections; area, $k_\mathrm{f}$
 %%%   and $k_\mathrm{b}$ to \cref{tab:kinetic_parameters_lipid_types} with
@@ -189,7 +197,7 @@ however, \citet{Estronca2007:dhe_kinetics} measured the transfer of
 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. We assume that this value is close
 to that of \ac{CHOL}, and use it for $k_{\mathrm{f}_\mathrm{\ac{CHOL}}}$. In the case of
 \ac{PE}, \citet{Abreu2004:kinetics_ld_lo} measured the association of
-\ac{NBDDMPE} with \ac{POPC} \acp{LUV} found a value for $k_\mathrm{f}$ of $2.3 \times 10^{6}$~%
+\ac{NBDDMPE} with \ac{POPC} \acp{LUV} and found a value for $k_\mathrm{f}$ of $2.3 \times 10^{6}$~%
 $\frac{1}{\mathrm{M} \mathrm{s}}$. These three authors used a slightly
 different kinetic formalism ($\frac{d\left[A_v\right]}{dt} =
 k'_\mathrm{f}[A_m][L_v] - k_\mathrm{b}[A_v]$), so we correct their values of $k_\mathrm{f}$ by
@@ -210,7 +218,7 @@ exchange of the fluorescent label \ac{C6NBD} attached to different
 lipid species. Although the values of $k_\mathrm{b}$ are different for the labeled
 and unlabeled lipids, we assume that the ratios of the kinetics
 constants for the lipid types are the same. Furthermore we assume that
-PG behaves similarly to \ac{PS}. Thus, we can determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and
+\ac{PG} behaves similarly to \ac{PS}. Thus, we can determine the $k_\mathrm{b}$ of \ac{PE} and
 \ac{PS} from the already known $k_\mathrm{b}$ of \ac{PC}. For \ac{C6NBD} labeled \ac{PC},
 \citet{Nichols1982:ret_amphiphile_transfer} obtained a $k_\mathrm{b}$ of
 $0.89$~$\mathrm{min}^{-1}$, \ac{PE} of $0.45$~$\mathrm{min}^{-1}$ and PG of
@@ -251,16 +259,16 @@ minutes, leading to a $k_{\mathrm{b}_\mathrm{CHOL}} = \frac{\log 2}{41\times
 
 Different lipids have different headgroup surface areas, which contributes to
 $\left[S_\mathrm{vesicle}\right]$. \citet{Smaby1997:pc_area_with_chol}
-measured the surface area of POPC with a Langmuir film balance, and
+measured the surface area of \ac{POPC} with a Langmuir film balance, and
 found it to be 63~Å$^2$ at $30$~$\frac{\mathrm{mN}}{\mathrm{m}}$.
 Molecular dynamic simulations found an area of 54 Å$^2$ for
-DPPS\citep{Cascales1996:mds_dpps_area,Pandit2002:mds_dpps}, which is
+\ac{DPPS}\citep{Cascales1996:mds_dpps_area,Pandit2002:mds_dpps}, which is
 in agreement with the experimental value of 56~Å$^2$ found using a
 Langmuir balance by \citet{Demel1987:ps_area}.
 \citet{Shaikh2002:pe_phase_sm_area} measured the area of \ac{SM} using a
 Langmuir film balance, and found it to be 61~Å$^2$. Using $^2$H NMR,
 \citet{Thurmond1991:area_of_pc_pe_2hnmr} found the area of
-DPPE-d$_{62}$ to be 55.4 Å$^2$. \citet{Robinson1995:mds_chol_area}
+\ac{DPPE}-d$_{62}$ to be 55.4 Å$^2$. \citet{Robinson1995:mds_chol_area}
 found an area for \ac{CHOL} of 38~Å$^2$ using molecular dynamic
 simulations.
 
@@ -1068,11 +1076,11 @@ popViewport(2)
 
 The less a monomer's intrinsic curvature matches the average curvature
 of the vesicle in which it is in, the greater its rate of efflux. If
-the difference is 0, $cu_\mathrm{f}$ needs to be one. To map negative and
+the curvatures match exactly, $cu_\mathrm{f}$ needs to be one. To map negative and
 positive curvature to the same range, we also need take the logarithm.
-Positive and negative curvature lipids cancel each other out,
-resulting in an average curvature of 0; the average of the log also
-has this property. Increasing mismatches in curvature increase the
+Positive ($cu > 1$) and negative ($0 < cu < 1$) curvature lipids cancel each other out,
+resulting in an average curvature of 1; the average of the log also
+has this property (average curvature of 0). Increasing mismatches in curvature increase the
 rate of efflux, but asymptotically. An equation which satisfies these
 criteria has the form $cu_\mathrm{f} = a^{1-\left(b\left( \left< \log
         cu_\mathrm{vesicle} \right> -\log
@@ -1091,11 +1099,11 @@ The most common $\left<\log cu_\mathrm{vesicle}\right>$ 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
+to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature
+near 1
 $\Sexpr{format(digits=3,to.kcal(7^(1-1/(20*(-0.013-log(1.3))^2+1))))}\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
-for monomers with curvature 1.3 to
-$0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with curvature near
-1. The full range of values possible for $cu_\mathrm{b}$ are shown in
-\cref{fig:cub_graph}
+for monomers with curvature 1.3. The full range of values possible for
+$cu_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:cub_graph}.
 
 % \RZ{What about the opposite curvatures that actually do fit to each
 %   other?}
@@ -1180,11 +1188,12 @@ will also show an increase in their dissociation constant.
 The most common $\left<l_\mathrm{vesicle}\right>$ 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
+\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$ for monomers with length 12 
+to $0\frac{\mathrm{kcal}}{\mathrm{mol}}$
+for monomers with length near 18 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 length near 18. The full range of possible values of
-$l_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:lb_graph}
+for monomers with length 24. The full range of possible values of
+$l_\mathrm{b}$ are shown in \cref{fig:lb_graph}.
 
 % (for methods? From McLean84LIB: The activation free energies and free
 % energies of transfer from self-micelles to water increase by 2.2 and
@@ -1384,15 +1393,15 @@ small number of components which are devoid of \ac{CHOL}.
 Once the components of the environment have been selected, their
 concentrations are determined. In experiments where the environmental
 concentration is the same across all lipid components, the
-concentration is set to $10^{-10}\mathrm{M}$. In other cases, the
+concentration is set to $10^{-10}$~M. In other cases, the
 environmental concentration is set to a random number from a gamma
 distribution with shape parameter 2 and an average of
-$10^{-10}\mathrm{M}$. The base concentration ($10^{-10}\mathrm{M}$)
+$10^{-10}$~M. The base concentration ($10^{-10}$~M)
 can also be altered at the initialization of the experiment to
 specific values for specific lipid types or components.
 
 The environment is a volume which is the maximum number of vesicles
-from a single simulation (4096) times the maximum size of the vesicle
+from a single simulation (4096) times the size of the vesicle
 (usually 10000) divided by Avagadro's number divided by the total
 environmental lipid concentration, or usually
 \Sexpr{4096*10000/6.022E23/141E-10}~L.
@@ -1403,9 +1412,10 @@ Initial vesicles are seeded by selecting lipid molecules from the
 environment until the vesicle reaches a specific starting size. The
 vesicle starting size has gamma distribution with shape parameter 2
 and a mean of the per-simulation specified starting size, with a
-minimum of 5 lipid molecules. Lipid molecules are then selected to be
-added to the lipid membrane according to four different methods. In
-the constant method, molecules are added in direct proportion to their
+minimum of 5 lipid molecules, or can be specified to have a precise
+number of molecules. Lipid molecules are then selected to be added to
+the lipid membrane according to four different methods. In the
+constant method, molecules are added in direct proportion to their
 concentration in the environment. The uniform method adds molecules in
 proportion to their concentration in the environment scaled by a
 uniform random value, whereas the random method adds molecules in
@@ -1453,7 +1463,7 @@ Determining the number of molecules to add to the lipid membrane
 vesicle $S_\mathrm{vesicle}$ (see \cref{sec:ves_prop}), the time interval
 $dt$ during which lipids are added, the base $k_{\mathrm{f}i}$, and the
 concentration of the monomer in the environment
-$\left[C_{i\mathrm{vesicle}}\right]$ (see \cref{eq:state}).
+$\left[C_{i\mathrm{monomer}}\right]$ (see \cref{eq:state}).
 $k_{\mathrm{f}i\mathrm{adj}}$ is calculated (see \cref{eq:kf_adj}) based on the
 vesicle properties and their hypothesized effect on the rate (in as
 many cases as possible, experimentally based)
@@ -1564,6 +1574,11 @@ to produce later output.
 % silhouette~\citep{Rousseeuw1987:silhouettes} is chosen as the ideal
 % clustering~\citep{Shenhav2005:pgard}.
 
+\section*{Formalism}
+
+The most current revision of this formalism is available at
+\url{https://git.donarmstrong.com/ool/lipid_simulation_formalism.git}.
+This document is  \gitMarkPref • \gitMark.
 
 %\bibliographystyle{unsrtnat}
 %\bibliography{references.bib}