文章摘要
徐冰,刘存,周东美,王玉军.金属离子-质膜相互作用的分子动力学模拟研究[J].农业环境科学学报,2019,38(7):1482-1489.
金属离子-质膜相互作用的分子动力学模拟研究
Molecular dynamics simulation of metal ion-lipid bilayer interactions
投稿时间:2019-04-11  
DOI:10.11654/jaes.2019-0397
中文关键词: 植物根表质膜  膜表面电势  离子结合  分子模拟
英文关键词: plant root plasma membrane  membrane surface potential  ion binding process  molecular modeling
基金项目:国家重点研发计划课题(2016YFD0800403);国家自然科学基金项目(41671239);中国科学院南京土壤研究所一三五与领域前沿项目(ISSASIP1619)
作者单位E-mail
徐冰 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), 南京 210008
中国科学院大学, 北京 100049 
 
刘存 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), 南京 210008 liucun@issas.ac.cn 
周东美 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), 南京 210008  
王玉军 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), 南京 210008 yjwang@issas.ac.cn 
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中文摘要:
      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。
英文摘要:
      The electric double layer at the soil solution-plant root membrane interface plays an important role in adsorption and uptake of metal ions. Molecular level investigation on the interaction between metal ions and root plasma membrane under the surface potential of membrane was conducted using molecular dynamics(MD)simulation of a model lipid bilayer equilibrating with different electrolyte solutions including K+, Na+, Ca2+, Mg2+, and heavy metals such as Cu2+, Cd2+. Statistical analysis of simulation results, including adsorption configurations and concentration profiles, revealed that cations mainly binded to the carbonyl and phosphate groups of lipids. The stronger binding for divalent cations than monovalent cations, especially divalent heavy metals, resulted in the sign changes of the surface potential which directly controlled the distribution of ions in the diffuse layer. The molecular dynamics simulation correctly predicted the distribution of ions consistent with the classical Gouy-Chapman-Stern(GCS)model of the electric double layer. We demonstrated that molecular dynamics simulation could quantitatively characterize the dynamic processes of metal ions binding and distribution at the surface of the membrane.
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