金属离子-质膜相互作用的分子动力学模拟研究

来源：《农业环境科学学报》2019 年 07 期

作者：徐冰^1,2，刘存^1*，周东美¹，王玉军^1*

单位：1. 中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室（南京土壤研究所）；2. 中国科学院大学

摘   要

为研究植物根表质膜与土壤溶液界面上的双电层结构对金属离子在质膜上吸附以及吸收的影响，从分子水平探讨质膜表面电势下金属离子与质膜的相互作用，建立了质膜与金属溶液的界面模型，采用分子动力学方法模拟了质膜界面K 、Na 、Ca² 、Mg² 等碱/碱土金属阳离子与Cu² 、Cd² 等重金属离子的结合与分布过程。

通过对吸附构型、浓度分布等统计分析，发现阳离子在质膜表面主要与质膜头部的羰基和磷酸基团等极性基团结合；二价阳离子吸附作用比一价阳离子更为强烈，并造成质膜表面电势的反转，直接控制着扩散层中离子的分布特征。分子动力学模拟结果与描述界面双电层结构的Gouy-Chapman-Stern（GCS）经典理论很好地吻合，可以从分子水平预测和解释金属阳离子与质膜相互作用的动态过程。

图 1 磷脂双分子层结构组分POPC和POPG分子式

图 2 植物根表质膜与土壤溶液界面的GCS宏观数学模型（a, 示意图修改自文献[28]）和分子动力学模型（b）

图 3 金属离子在质膜表面的吸附分布（内插图放大显示了不同离子与质膜官能团的典型结合方式）

图 4 不同体系中的金属离子K 、Na 、Ca² 、Mg² 、Cu² 、Cd² 和Cl^-（-Cl）、水分子（-H₂O）、羰基氧（-O_carb）、磷酸氧（-P）、质膜头部氮原子（-N）、羟基氧（-OH）等在质膜表面的离子浓度分布

图 5 不同体系中金属阳离子和阴离子在质膜表面的离子浓度分布和GCS计算比较

结  论：

（1）MD 模拟从分子水平上揭示了不同金属阳离子与质膜结合的构型，发现质膜表面电势强烈影响着离子的分布，二价阳离子主要结合在质膜头部羰基基团和磷酸基团。

（2）MD 模拟可以与GCS 模型很好地吻合，并且能进一步准确描述双电层中的Stern 层中阴、阳金属离子的分布和结合位点，进而更好地为研究重金属的农作物吸收和毒性提供分子层面的机理解释和直观微观图像。