Механизм регулирования ядерного транспорта
Обновлено: 01.05.2024
Нормальная и безопасная работа ядерного реактора обеспечивается поддержанием реактивности на должном уровне. Напомним, что в критическом состоянии (стационарный режим работы) реактивность реактора равна нулю и цепная реакция деления поддерживается на постоянном уровне. Увеличение мощности связано с необходимостью задания положительной реактивности, а по достижении нового, более высокого уровня мощности избыток реактивности вновь должен быть скомпенсирован до нуля. И наоборот, при снижении уровня мощности необходимо задать отрицательную реактивность, которая поддерживается до достижения заданного более низкого уровня, после чего реактивность вновь выводится в исходное нулевое значение. И наконец, при выключении реактора отрицательная реактивность сохраняется до последующего запуска реактора.
Для поддержания необходимого уровня реактивности ядерный реактор оснащается системой управления и защиты. Она включает в себя органы оперативного регулирования, предназначенные для ведения нормальных переходных режимов и рассчитанные на небольшие изменения реактивности; компенсирующие органы, обеспечивающие сравнительно медленные и значительно большие по абсолютному значению изменения реактивности. Последние обусловлены, во-первых, температурным эффектом при выводе реактора из холодного в горячее состояние или, наоборот, при расхолаживании реактора; во-вторых, необходимостью компенсации, связанной с выгоранием топлива, шлакованием и отравлением. Температурный эффект при разогреве или расхолаживании проявляется за время, исчисляемое часами. Такое же время идет на заметное изменение реактивности (в реакторах на тепловых нейтронах) в связи с отравлением реактора. Значительно за более короткое время происходит изменение реактивности при сбросах и увеличении нагрузки за счет доплер-эффекта. Медленные изменения реактивности обусловлены выгоранием топлива и шлакованием реактора. Время, вызывающее изменение реактивности за счет этих процессов, может составить недели, месяцы или даже годы в зависимости от способа (частоты) перегрузки ядерного топлива.
Кроме регулирующих и компенсирующих органов система управления включает в себя аварийную защиту, предназначенную для быстрого выключения реактора путем введения отрицательной реактивности.
Таким образом, система управления и защиты должна обеспечивать не только нормальную работу реактора, включая пуск и останов и другие переходные режимы, но и быстрое аварийное выключение. Безусловным требованием к эффективности средств управления является достаточность ее для компенсации всех эксплуатационных изменений реактивности как по абсолютному значению, так и по скорости.
Для компенсации изменений реактивности практически во всех реакторах используется так называемая механическая система управления и защиты (СУЗ), состоящая из подвижных поглощающих стержней, снабженных соответствующими приводами. Все другие средства компенсации реактивности используются как дополнительные к механической системе. Так, в водо-водяных реакторах это введение борной кислоты в воду первого контура и использование выгорающих поглотителей, в тяжеловодных — изменение уровня замедлителя, вплоть до полного слива тяжелой воды при аварийном выключении, и другие средства. Для различных типов реакторов дополнительные средства компенсации реактивности весьма разнообразны и подробно на них останавливаться не будем. Ниже рассмотрим в основном конструктивные и другие особенности системы управления и защиты, являющиеся составной частью любого типа реактора.
ОРГАНЫ УПРАВЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ КОРПУСНЫХ РЕАКТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Типичными представителями корпусных реакторов, работающих под высоким давлением, являются водо-водяные реакторы. Они получили самое широкое применение в ядерной технике и в особенности в ядерной энергетике.
Особенностью водо-водяных реакторов является то, что в связи с редкой перегрузкой ядерного топлива и высокой удельной энергонапряженностью избыточная реактивность в них в расчете на выгорание топлива сравнительно велика и может составить 10— 15%. Кроме того, в них велик температурный и мощностной эффекты, что в сумме приводит к увеличению реактивности еще на 4—6%. Все это в конечном итоге приводит к тому, что в активной зоне водо-водяного реактора в холодном и неотравленном состоянии в начале кампании может содержаться от 15 до 40 критических масс (в зависимости от мощности и длительности кампании), и для компенсации избыточной реактивности требуется значительная суммарная эффективность всех органов СУЗ. Она может достигать примерно 30%, что создает проблему размещения механической системы регулирования. Это осложняется еще и тем, что активная зона водо-водяных реакторов весьма компактна.
На первом этапе развития водо-водяных реакторов проблема размещения СУЗ решалась сочетанием высокоэффективных поглощающих стержней механической системы с выгорающими поглотителями.
Внедрение в последующем жидкостного борного регулирования, как уже отмечалось, в значительной мере сняло проблему размещения подвижных поглощающих стержней в активной зоне и позволило перейти от высокоэффективных нейтронных ловушек к кластерному регулированию.
Механическая система регулирования состоит из поглощающих стержней и приводов для их перемещения (ввода в активную зону и вывода из нее). Приводы СУЗ водо-водяных реакторов вынесены из корпуса и размещены в защитных чехлах (трубах) на верхней съемной крышке (см. рис. 4.11 и 4.12). Полость защитных чехлов, в которых размещаются механизмы приводов СУЗ, сообщается с внутриреакторным объемом, поэтому давление в защитных чехлах соответствует давлению в корпусе реактора. В серийных реакторах ВВЭР-440 используются синхронные электродвигатели, число оборотов которых регулируется частотой переменного тока электропитания. Отсутствие редуктора обеспечивает компактность приводной пары, превращающей вращательное движение ротора электродвигателя в поступательное движение поглощающего стержня. В качестве приводной пары в первых реакторах типа ВВЭР использовалась винт — шариковая гайка, а в последующих серийных ВВЭР-440 — шестерня-рейка. В первом случае вращательное движение винта преобразуется в поступательное движение шариковой гайки, которая через приводную тягу непосредственно соединяется с поглощающим стержнем. При использовании пары шестерня-рейка последняя получает поступательное движение через систему шестерней и обеспечивает перемещение поглощающего стержня. В реакторах ВВЭР-1000 используется шаговый электромагнитный двигатель, вытянутый ротор которого получает не вращательное, а поступательное движение и тем самым передает его непосредственно поглощающим стержням.
Регулирующая сборка, компенсирующая изменения реактивности, в водо-водяных реакторах первого поколения (в том числе и в ВВЭР-440), представляет собой подвижную ТВС (рис. 6.1) с поглощающей надставкой (рис. 6.2). Как видно, подвижная ТВС отличается от рабочей (неподвижной) (см. рис. 4.14) конструктивным оформлением верхней головки и хвостовика. Верхняя головка подвижной ТВС сочленяется с поглощающей надставкой, хвостовик конструктивно выполнен в виде гидравлического демпфера при свободном падении ТВС с поглощающей надставкой.
Шестигранная труба поглощающей надставки имеет в поперечном сечении те же размеры, что и подвижная ТВС, и является продолжением последней. Вкладыши из бористой стали поглощающей надставки размещены на внутренней поверхности шестигранной трубки, а внутренняя полость заполняется циркулирующей водой. Размер внутренней полости значительно превышает Vτ, где х — возраст нейтронов в водном замедлителе, поэтому поглощающая надставка эффективно поглощает не только тепловые нейтроны, но и быстрые, которые проникают во внутреннюю полость надставки и замедляются в ней. Таким образом, подобная конструкция выполняет роль нейтронной ловушки.
Рис. 6.1. Подвижная ТВС:
Рис. 6.2. Поглощающая надставка регулирующей сборки:
1 — отверстия для прохода воды; 2 — шестигранная труба; 3 — вкладыш из бористой стали; 4 — хвостовик; 5 — подвижная ТВС
1 — головка с захватом под привод; 2 — центральная трубка; 3— верхняя дистанционирующая решетка; 4 — тепловыделяющий элемент; 5 — шестигранный чехол; 6 — разрезная пружинная втулка; 7 — брикет спеченной двуокиси урана; 8, 9 — промежуточная и нижняя дистанционирующие решетки; 10 — хвостовик с цилиндром для демпфера
Эффективность рассматриваемой конструкции регулирующей сборки увеличивается еще благодаря наличию в ней подвижной ТВС. Для компенсации максимальной избыточной реактивности в холодном состоянии, когда реактор загружен свежим топливом, поглощающие надставки полностью погружаются в активную зону, а подвижные ТВС размещаются под активной зоной внутри нижнего блока защитных труб (см. рис. 4.11), которые предохраняют ТВС от вибраций под действием тока теплоносителя. По мере разогрева и последующей работы реактора реактивность его уменьшается и для компенсации последней производится постепенный подъем регулирующих сборок. При этом из активной зоны выводится поглотитель, а на его место вводится дополнительное топливо, что заметно усиливает эффективность подобной конструкции регулирующей сборки. Подвижная ТВС одновременно выполняет и роль вытеснителя воды при извлечении поглощающей надставки.
В серийных реакторах ВВЭР-440 рассматриваемые регулирующие сборки унифицированы. Они выполняют функции оперативного регулирования в целях поддержания заданного уровня мощности, компенсации медленных изменений реактивности и быстрого аварийного выключения реактора. В зависимости от назначения регулирующие сборки разделяются на отдельные группы. Для оперативного регулирования требуются небольшие изменения реактивности и в эту группу выделяется небольшая часть сборок. Компенсация медленных и больших по абсолютному значению изменений реактивности осуществляется частью сборок, объединенных в отдельные группы, извлечение которых производится по специальной программе, построенной на принципе максимально возможного выравнивания поля нейтронов по радиусу активной зоны. При необходимости быстрого аварийного выключения в конструкции предусматривается расцепление приводов, и все сборки под собственным весом поглощающей надставкой погружаются в активную зону. Скорость падения их в конце хода гасится гидравлическим демпфером.
В подобной конструкции регулирующих сборок условия работы подвижной ТВС более тяжелые, чем неподвижных рабочих ТВС. Особенно тяжелыми они оказываются при срабатывании аварийной защиты и торможении в конце хода после свободного падения сборки. Поэтому в качестве альтернативы можно рассматривать конструкцию, в которой используется «ложная» сборка, конструктивно подобная подвижной ТВС. Отличие заключается только в том, что в ложной сборке стержневые элементы представляют собой полые трубки, выполненные из материала, слабо поглощающего нейтроны, и не содержат топлива. Подобная конструкция по эффективности уступает сборке с подвижной ТВС, поскольку ложная сборка выполняет роль только вытеснителя воды при извлечении поглощающей надставки.
Однако надежность и безопасность работы реактора при этом повышается. Можно избежать заметного проигрыша в эффективности при использовании ложных сборок, если снабжать ими только группу стержней, предназначенных для аварийного выключения реактора. В этом случае при нормальной работе аварийные стержни своей поглощающей надставкой выведены из активной зоны и находятся над ней, а в зоне остаются ложные сборки, слабо поглощающие нейтроны и выполняющие роль вытеснителя воды. Электромагнитное расцепление приводов предусматривается только для этой группы стержней, и при срабатывании аварийной защиты только они падают под действием собственного веса, а компенсирующие и регулирующие сборки вводятся в активную зону своей поглощающей надставкой принудительно при нормальных или повышенных скоростях и не испытывают заметных динамических нагрузок.
Рис. 6.3. Картограмма размещения рабочих ТВС и регулирующих сборок ВВЭР-440
В серийных реакторах ВВЭР-440 на 312 рабочих ТВС приходится 37 регулирующих сборок, размещение которых в плане показано на рис. 6.3. Как видно, регулирующие сборки равномерно распределены по сечению активной зоны и размещаются в сетке рабочих ТВС. На одну регулирующую сборку в среднем приходится около 8,5 рабочих ТВС.
Приводы СУЗ ВВЭР-1000 так же, как и ВВЭР-440, размещаются на верхней съемной крышке (см. рис. 4.12), однако поглощающие стержни имеют принципиально иное конструктивное оформление. Здесь в каждой рабочей ТВС предусматривается возможность наличия пучка подвижных стержневых поглотителей (кластеров) (см. рис. 4.15). Для этого в пучке стержневых твэлов имеются для них направляющие трубки. В головном блоке ВВЭР-1000 12 направляющих трубок диаметром 12,6X0,85 м и одна трубка того же диаметра для датчика замера энерговыделения. Материал сердечника поглощающего стержня, расположенного в оболочке из нержавеющей стали диаметром 8,2χ0,6 мм, выполнен из сплава на основе алюминия с присадкой Еu2O3. Диаметр сердечника поглощающего стержня 7 мм. Все 12 подвижных поглощающих стержней (кластеров) объединены одним общим приводом. Всего в ВВЭР-1000 имеется 109 приводов СУЗ, которые обслуживают кластеры ТВС, размещенных в зоне плато. В периферийных ТВС вместо подвижных кластеров устанавливаются пучки с выгорающим поглотителем. В качестве материала выгорающего поглотителя используется природный бор.
На рис. 6.4 показана картограмма размещения шестигранных ТВС по сечению активной зоны. Римскими цифрами указаны номера групп кластеров. Отсутствие римских цифр в периферийных ТВС свидетельствует о размещении в них выгорающих поглотителей. Среди ТВС с кластерами некоторые из них снабжены укороченными поглотителями, предназначенными для выравнивания поля по высоте активной зоны. На этом же рисунке показаны ТВС с нейтронными измерительными каналами, количество и размещение ионизационных камер за пределами активной зоны. Последние предназначены в качестве датчиков нейтронной мощности в различных диапазонах работы реактора.
В ВВЭР-1000 эффективность механических органов СУЗ составляет 6—7% и предназначена для компенсации оперативных изменений реактивности, включая температурный и мощностной эффекты. Раствор бора в воде компенсирует запас на выгорание и часть температурного эффекта. Поэтому при расхолаживании реактора необходимо увеличивать концентрацию борной кислоты в теплоносителе.
Механическая система регулирования водо-водяных кипящих реакторов, в том числе и реакторов для атомных станций теплоснабжения (ACT), принципиально не отличается от рассмотренной для ВВЭР. В кипящих реакторах могут использоваться как нейтронные ловушки, так и кластерное регулирование. Особенностью кипящих реакторов является то, что жидкостное борное регулирование в них не используется. Это обусловлено различной растворимостью борной кислоты в воде и паре и неопределенностью в связи с этим компенсирующей способности пароводяной смеси с введенной в нее борной кислотой.
Рис. 6.4. Картограмма размещения групп поглотителей СУЗ и нейтронных измерительных каналов в активной зоне и ионизационных камер СУЗ головного реактора ВВЭР-1000:
1 — ТВС с поглотителями СУЗ с половинной длиной наполнения поглощающих материалов; 2 — ТВС с нейтронными измерительными каналами; 3 — номер группы поглотителей СУЗ, указанной римской цифрой; 4—7 — ионизационные камеры энергетического, пускового, резервные пускового и промежуточного диапазонов
Представителями корпусных реакторов, работающих под давлением, являются газоохлаждаемые графитовые реакторы. К ним относятся магноксовые и усовершенствованные (типа AGR), охлаждаемые углекислым газом, и высокотемпературные реакторы, охлаждаемые гелием.
Особенность графитовых реакторов — большие габаритные размеры, обусловленные свойствами графита как замедлителя. Замедляющая способность графита во много раз уступает обычной воде, являющейся замедлителем в водо-водяных реакторах. Поэтому решетка активной зоны графитовых реакторов редкая и особых проблем для размещения СУЗ не возникает.
Давление теплоносителя в графитовых газоохлаждаемых реакторах не превышает 5 МПа, что значительно ниже, чем в водоводяных реакторах. Это облегчает вопрос, связанный с выносом механизмов СУЗ за пределы корпуса графитовых реакторов.
Рис. 6.6. Графитовые блоки:
1 — каналы для выгорающих поглотителей; 2 —каналы для теплоносителя; 3 — каналы для твэлов; 4 — графитовая прокладка; 5 — отверстие для захвата перегрузочной машины; 6 — установочный штифт; 7 —поток гелия; 8 — установочное гнездо
Хотя газографитовые реакторы и не получили пока широкого применения в ядерной энергетике, в связи с созданием высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов перспектива их существенно возросла. В связи с сравнительно невысоким давлением теплоносителя и в то же время большими габаритными размерами корпуса сооружение их предусматривается (подобный опыт в мировой практике уже имеется) в корпусах из предварительно напряженного железобетона (ПНЖБ) с интегральной компоновкой первого контура внутри корпуса реактора.
Рис. 6.5. Общий вид реакторной установки с ВТГР АЭС «Форт-Сент- Врейн»:
1 — газодувка; 2 — модуль парогенератора; 3 — активная зона; 4—каналы для СУЗ и перегрузки топлива; 5 — канал для ионизационной камеры; 6 — охлаждаемая опорная конструкция зоны; 7 — корпус реактора из ПНЖБ
На рис. 6.5 в качестве примера показан общий вид реакторной установки с ВТГР АЭС «Форт-Сент-Врейн» в железобетонном корпусе с интегральной компоновкой первого контура. Это типичная компоновка газографитовых реакторов в корпусах из ПНЖБ, отличие заключается только в расположении парогенераторов и газодувок относительно реактора. Активная зона реактора АЭС «Форт-Сент-Врейн» набирается из шестигранных графитовых блоков (рис. 6.6), пронизанных продольными каналами для теплоносителя (сквозные каналы), топлива и выгорающих поглотителей (глухие каналы). По оси блока имеется отверстие под захват перегрузочной машины. Часть шестигранных графитовых блоков имеют сквозные продольные отверстия (три отверстия на блок) для прохода в зону стержней СУЗ. Всего в реакторе 74 стержня СУЗ, перемещаемых попарно от одного привода. На верхнем торце железобетонного корпуса имеются вертикальные каналы (герметизируемые проходки) для механизмов СУЗ и перегрузки топлива.
Статья 45. Транспортирование ядерных материалов и радиоактивных веществ
Транспортирование ядерных материалов и радиоактивных веществ должно осуществляться в соответствии со специальными правилами, правилами транспортирования особо опасных грузов, с нормами и правилами в области использования атомной энергии, законодательством Российской Федерации в области охраны окружающей среды.
Правила транспортирования ядерных материалов и радиоактивных веществ должны предусматривать права, обязанности и ответственность отправителя, перевозчика и получателя, меры безопасности, физической защиты, систему согласованных мер по недопущению транспортных происшествий и аварий при перевозке ядерных материалов и радиоактивных веществ, требования к упаковке, маркировке и транспортным средствам, мероприятия по локализации и ликвидации последствий возможных аварий при транспортировании указанных материалов и веществ. Правила транспортирования ядерных материалов и радиоактивных веществ должны предусматривать все возможные виды транспорта.
Перевозчик ядерных материалов и радиоактивных веществ должен иметь разрешение (лицензию), выданное соответствующим органом государственного регулирования безопасности, на право ведения работ в области использования атомной энергии.
Иностранные организации, имеющие соответствующие разрешения (лицензии) на право ведения работ в области использования атомной энергии, выданные федеральными органами исполнительной власти или Государственной корпорацией по атомной энергии "Росатом", могут осуществлять транспортирование (перевозку) ядерных материалов при осуществлении международных морских или воздушных перевозок.
Исполнительный механизм ручного регулирования ядерного реактора
время — 3.3.4 время tE (time tE): время нагрева начальным пусковым переменным током IА обмотки ротора или статора от температуры, достигаемой в номинальном режиме работы, до допустимой температуры при максимальной температуре окружающей среды. Источник … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
1: — Терминология 1: : dw Номер дня недели. «1» соответствует понедельнику Определения термина из разных документов: dw DUT Разность между московским и всемирным координированным временем, выраженная целым количеством часов Определения термина из… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
НП 009-98: Правила ядерной безопасности исследовательских реакторов — Терминология НП 009 98: Правила ядерной безопасности исследовательских реакторов: 2. Аварийная защита (АЗ) устройство СУЗ, предназначенное для осуществления функции безопасности быстрого автоматического и дистанционного ручного прекращения… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Руководство: Руководство по защите металлоконструкций от коррозии и ремонту лакокрасочных покрытий металлических пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов — Терминология Руководство: Руководство по защите металлоконструкций от коррозии и ремонту лакокрасочных покрытий металлических пролетных строений эксплуатируемых автодорожных мостов: Агрессивная среда Среда, воздействие которой вызывает коррозию… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Ядерно-цитоплазматический транспорт
Материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки осуществляется посредством ядерных пор — транспортных каналов, пронизывающих двухслойную ядерную оболочку. Переход макромолекул из ядра в цитоплазму и в обратном направлении называется ядерно-цитоплазматическим транспортом.
Содержание
Структура
Ядерные поры — это не просто перфорации, а сложно устроенные, многофункциональные регулируемые структуры, организованные приблизительно 30 белками — нуклеопоринами. Белковая составляющая ядерной поры обозначается термином «комплекс ядерной поры» (англ., nuclear pore complex, NPC). Масса комплекса ядерной поры колеблется в пределах от ~44 МДа в клетках дрожжей до ~125 МДа у позвоночных.
По данным электронной микроскопии, ядерные поры в поперечном сечении имеют форму «восьмиспицевого тележного колеса», то есть имеют ось симметрии восьмого порядка. Эти данные подтверждает тот факт, что молекулы нуклеопоринов присутствуют в составе ядерной поры в количестве, кратном восьми. Проницаемый для молекул канал располагается в центре структуры. Комплекс ядерной поры заякорен на ядерной оболочке с помощью трансмембранной части, от которой к просвету канала обращены структуры, получившие название спиц (англ., spokes), по аналогии со спицами тележного колеса. Эта коровая часть поры, построенная из восьми доменов, с цитоплазматической и ядерной сторон ограничена соответственно цитоплазматическим и ядерным кольцами (англ., rings; у низших эукариот они отсутствуют). К ядерному кольцу прикреплены белковые направленные внутрь ядра тяжи (ядерные филаменты, англ., filaments), к концам которых крепится терминальное кольцо (англ., terminal ring). Вся эта структура носит название ядерной корзины (англ., nuclear basket). К цитоплазматическому кольцу также прикреплены направленные в цитоплазму тяжи — цитоплазматические филаменты. В центре ядерной поры видна электрон-плотная частица, «втулка» или транспортер (англ., plug).
Свойства ядерных пор
Количество ядерных пор на одно ядро может колебаться от 190 у дрожжей, 3000-5000 в клетках человека, до 50 млн в зрелых ооцитах шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Этот показатель может также варьировать в зависимости от типа клетки, гормонального статуса и стадии клеточного цикла. Например, в клетках позвоночных количество ядерных пор удваивается на протяжении S фазы, одновременно с удвоением хромосом. При разборке ядерной оболочки во время митоза ядерные поры позвоночных распадаются на субкомплексы с массами около миллиона дальтон. Показано, что разборка комплекса ядерной поры инициируется циклин B-зависимой киназой, фосфорилирующей нуклеопорины. После завершения клеточного деления ядерные поры собираются de novo. Ядерные поры интерфазного ядра перемещаются большими массивами, а не независимо друг от друга, причем эти перемещения происходят синхронно с перемещениями ядерной ламины. Это служит доказательством того, что ядерные поры механически связаны между собой и формируют единую систему (англ., NPC network).
Нуклеопорины
Нуклепорины, белки из которых постоены ядерные поры, делят на три подгруппы. К первой относят трансмембранные белки, заякоривающие комплекс в ядерной оболочке. Нуклепорины второй группы содержат характерный аминокислотный мотив — несколько раз повторенные FG, FXFG или GLFG — последовательности (так называемые FG-повторы, где F — фенилаланин, G — глицин, L — лейцин, X — любая аминокислота). Функция FG-повторов, по-видимому, заключается в связывании транспортных факторов, необходимых для осуществления ядерно-цитоплазматического транспорта. Белки третьей подгруппы не имеют ни мембранных доменов, ни FG- повторов, наиболее консервативны среди всех нуклеопоринов, их роль, по-видимому, заключается в обеспечении связывания FG-содержащих нуклепоринов с трансмембранными. Нуклеопорины также отличаются по своей мобильности в составе ядерной поры. Некоторые белки связаны с конкретной порой на протяжении всего клеточного цикла, в то время как другие полностью обновляются всего за несколько минут.
Ядерно-цитоплазматическим транспортом называется материальный обмен между ядром и цитоплазмой клетки. Ядерно-цитоплазматический транспорт можно разделить на две категории: активный транспорт, требующий затрат энергии, а также специальных белков-рецепторов, и пассивный транспорт, протекающий путем простой диффузии молекул через канал ядерной поры.
Пассивный транспорт
Молекулы небольших размеров (ионы, метаболиты, мононуклеотиды и т. д.) способны пассивно диффундировать в ядро. Проводимость ядерных пор для молекул разных размеров различна. Белки массой менее 15 кДа быстро проникают в ядро, в то время как для белка массой более 30 кДа на это требуется определенное время. Белковые молекулы массой более 60-70 кДа, по-видимому, вообще не могут пассивно проходить через ядерные поры. Впрочем, пропускная способность ядерных пор для пассивной диффузии может изменяться в зависимости от типа клетки и стадии клеточного цикла.
Активный транспорт
Цикл Ran.
1. Транслокация Ran-ГТФ в цитоплазму в комплексе с транспортинами. 2. Гидролиз ГТФ. Собственная ГФАзная активность Ran активируется цитоплазматическим белком RanGAP. 3. Ran-ГДФ реимпортируется в ядро при участии белка NTF2. 4. ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ под действием ядерного белка RCC1 (фактора обмена нуклеотидов).
Пропускная способность ядерной поры для активного транспорта значительно выше. Так рибосомные субчастицы размерами до нескольких мегадальтон транспортируются из ядра в цитоплазму через ядерные поры, и нет никаких оснований предполагать, что процесс транспорта сопровождается частичной разборкой этих субчастиц. Системы активного транспорта обеспечивают весь макромолекулярный обмен между ядром и цитоплазмой. Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, поступают через поры в цитоплазму, а в ядро попадают белки участвующие в ядерном метаболизме. Причем одни белки должны поступать в ядро конститутивно (например, гистоны), а другие в ответ на определенные стимулы (например, транскрипционные факторы). У ядерных белков идентифицированы специальные последовательности, отвечающие за их локализацию. Самая распространенная из них, так называемый «классический» сигнал ядерной локализации — NLS (от англ., Nuclear Localization Signal), представляет собой один или два участка положительно заряженных аминокислот, аргинина и лизина. Транслокация белков в ядро, в отличие от транслокации в митохондрии и эндоплазматический ретикулум, не сопровождается отщеплением этой сигнальной последовательности и разворачиванием полипептидной цепи. NLS-содержащие белки, как и все другие субстраты систем ядерного транспорта, переносятся в ядро в комплексе со специальными белками — транспортинами или кариоферинами (англ., transportins, karyopherins). Каждый транспортин или комплекс транспортинов для осуществления своей функции должен обладать тремя активностями: во-первых, он должен узнавать и связывать транспортируемый субстрат, во-вторых, заякориваться на ядерной поре, и в-третьих, связывать небольшой белок — GTPазу Ran, относящуюся к семейству Ras-подобных ГТФаз и служащую для сопряжения транспорта с гидролизом ГТФ, что придает процессу необратимость (снабжает его энергией). Собственно акт гидролиза ГТФ осуществляется непосредственно этим белком. Фактор обмена нуклеотидов (англ., GTPase Еxchange Factor, GEF) для Ran, хроматин-связывающй белок RCC1, локализован строго в ядре, а активаторы ГТФазной активности (англ., GTPase Activation Protein, GAP) RanGAP1 и некоторые другие белки — строго в цитоплазме. Эта асимметричная локализация приводит к формированию градиента: в ядре находится преимущественно ГТФ-связанная форма Ran, в цитоплазме, наоборот, ГДФ-связанная. Ran используется для снабжения энергией как процессов импорта, так и процессов экспорта различных субстратов, а вся схема носит название Ran-цикла (англ., Ran-cycle). Ran-цикл снабжает энергией и экспорт, и импорт, используя общий принципиальный механизм, ключевыми стадиями которого являются гидролиз ГТФ в цитоплазме и обмен ГДФ на ГТФ в ядре.
Схема импорта белков в ядро.
1. Образование комплекса груз-рецептор (импортин). 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Диссоциация комплекса груз-импортин под воздействием Ran-ГТФ, высвобождение груза, образование комплекса Ran-ГТФ-импортин. 4. Реэкспорт образовавшегося комплекса в цитоплазму. 5. Гидролиз ГТФ и диссоциация комплекса.
Механизм импорта белков в ядро
Рассмотрим механизм поступления субстратов в ядро на примере импорта NLS-содержащих белков. Первой стадией транспортировки является узнавание субстрата транспортинами, в данном случае комплексом импортинов-α/β (транспортины участвующие в транспорте в ядро называются импортинами, а из ядра — экспортинами). Затем образовавшийся комплекс заякоривается на белках ядерной поры с цитоплазматической стороны и транслоцируется через канал в ядро, где с ним связывается Ran-ГТФ, что вызывает диссоциацию комплекса и высвобождение груза. После чего импортины в комплексе с Ran-ГТФ направляются обратно в цитоплазму, где Ran под действием RanGAP1 гидролизует ГТФ (ГТФ => ГДФ + PO4 3- ). Комплекс Ran-ГДФ-импортины α/β нестабилен и диссоциирует. Ran-ГДФ поступает обратно в ядро при помощи собственного переносчика, димерного белка NTF2. В ядре под действием белка RanGEF, ГДФ в активном центре Ran заменяется на ГТФ и цикл, тем самым, замыкается.
Схема экспорта белков из ядра.
1. Образование комплекса груз-экспортин-Ran-ГТФ. 2. Заякоривание комплекса на белках ядерной поры и собственно транслокация. 3. Гидролиз ГТФ, диссоциация комплекса и высвобождение груза. 4. Реимпорт высвободившегося экспортина.
Механизм экспорта белков из ядра
Теперь рассмотрим механизм экспорта из ядра на примере белков, содержащих сигналы ядерного экспорта (англ., Nuclear Export Signal, NES). Для последовательностей этих сигналов характерно содержание гидрофобных аминокислот. Первой стадией транспортировки здесь также является рецепция субстрата специфическим экспортином Crm1 (англ., Chromosome Region Maintenance) и образование комплекса. Главным отличием механизмов импорта является тот факт, что в состав транслоцирующегося комплекса в случае экспорта помимо субстрата и Crm1 входит и Ran-ГТФ, то есть сопряжение с циклом Ran происходит на стадии транслокации, а не на стадии реимпорта рецептора. После прохождения через ядерную пору в цитоплазму, Ran расщепляет ГТФ, комплекс теряет стабильность и диссоциирует, высвобождая груз.
Уточнен механизм ядерного транспорта
Клеточное ядро окружено оболочкой (см. Nuclear envelope), и эта оболочка пронизана порами, сквозь которые происходит транспорт из цитоплазмы в ядро и обратно. Маленькие молекулы свободно проходят сквозь пору, а молекулам побольше для этого необходима помощь специальной транспортной системы. Чтобы понять, как работает эта система, исследователи из Калифорнийского университета и их коллеги провели серию экспериментов с квантовыми точками; они должны были восприниматься транспортными белками как грузы, которые надо перенести в ядро. Выяснилось, что импорт веществ в ядро состоит из нескольких стадий; все эти стадии обратимы, кроме одной, последней, — выброса груза внутрь ядра. Кроме того, эксперименты позволили уточнить саму структуру поры и прояснить роль некоторых белков, участвующих в ядерном транспорте.
Транспортом веществ в ядро занимается белок импортин (см. Importin). Его субстраты помечены специальной последовательностью, которая называется nuclear localization signal, или NLS. Соединившись с субстратом, импортин «садится» на ядерную пору и пролезает сквозь канал на внутриядерную сторону мембраны. Там с ним связывается маленький белок ГТФаза Ran в комплексе с ГТФ; из-за этого комплекс импортин-субстрат разваливается и субстрат оказывается в ядре. А импортин вместе с Ran-ГТФ идет назад в цитоплазму. Там Ran гидролизует ГТФ до ГДФ под действием специального активирующего белка, отделяется от импортина, подхватывается белком-переносчиком под названием NTF2 и через ядерную пору отправляется назад в ядро. Ядерный белок RanGEF заменяет ГДФ на ГТФ, и после этого Ran снова может связываться с импортином.
Квантовые точки, которые использовались в обсуждаемых экспериментах, были достаточно ярки, чтобы наблюдать за ними с нанометровой точностью в миллисекундном разрешении — и это отличало их от обычных флуорофоров и давало ученым возможность изучить ядерный транспорт с невиданной прежде тщательностью. Каждая точка несла на себе сайты связывания для одной из субъединиц импортина — импортина β; после того как к ней присоединялось около 40 молекул этого белка, ее диаметр составлял 30 ± 6 нм. Получалось, что данные квантовые точки больше, чем одиночные белковые молекулы, идущие из цитоплазмы в ядро, но сравнимы по размеру с другими субстратами, например с некоторыми вирусными капсидами, которые могут целиком, не разбираясь на кусочки, проходить сквозь ядерную пору.
Исследования проводились in vitro, в них участвовали 849 квантовых точек. Все они смогли проникнуть в ядерную пору, но попасть в ядро удалось только 177. Ученые выбрали 56 траекторий (и «удачных», и «неудачных») с самым лучшим разрешением и исследовали их подробнее.
Выяснилось, что некоторые точки перед тем, как попасть в пору, «топчутся» возле нее довольно долгое время. Исследователи предположили, что они связываются с цитоплазматическими филаментами (см. Protein filament), которые окружают пору и направляют груз в нужную сторону. Таким образом, отметив участки наиболее частого «зависания» точек, можно определить местоположение этих филаментов.
Оказавшись внутри канала поры, грузы могли либо пройти его насквозь и проникнуть в ядро («счастливчики»), либо провести там некоторое время, а потом всё же вернуться назад в цитоплазму. Этих последних «неудачников» ученые разделили на две группы — некоторые проходили внутри канала совсем маленькое расстояние (меньше 30 нм) и сразу «выплевывались» назад в цитоплазму («ранние неудачники»), а другим удавалось проникнуть довольно глубоко (до 60 нм) по каналу по направлению к ядру («поздние неудачники»). Изучив траектории движения точек внутри канала поры, исследователи смогли уточнить размеры этого канала — судя по всему, он составляет 55 нм в ширину и 68 нм в длину.
Карта плотности позиций груза внутри канала поры для «счастливчиков» (Successful), всех «неудачников» вместе (All aborted), «ранних неудачников» (Early aborts) и «поздних неудачников» (Late aborts). Транспортная ось Х (Transport axis X) проходит посередине канала поры и начинается на его цитоплазматическом краю, в сторону ядра направлена ее положительная полуось, а в сторону цитоплазмы — отрицательная. Transverse axis — ось, перпендикулярная оси Х и пересекающая Х в нуле (на цитоплазматическом краю поры). Синий цвет показывает редкую плотность грузов в данной области, а красный — высокую. Видно, что «ранние неудачники» толпятся на гораздо более коротком участке в начале канала (там, видимо, есть сужение, дальше которого они не могут проникнуть). Кроме того, измерив область, в которую грузы могут проникнуть (~25 × 38 нм), и взяв средний радиус груза 15 нм, можно вычислить размеры канала поры — ~55 × 68 нм (вычисленная таким образом длина канала показана на картинке горизонтальными пунктирными линиями). Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Надо сказать, что некоторые «счастливчики» и «поздние неудачники» часто вначале вели себя как «ранние неудачники» и несколько раз «выплевывались» назад в цитоплазму, не пройдя и половины канала. Исследователи предположили, что в начале поры есть сужение, которое некоторые грузы, имеющие размер на границе дозволенного, не могут одолеть сразу. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые запустили в канал квантовые точки большего диаметра. Эти грузы гораздо чаще становились «ранними неудачниками», что подтверждало наличие в начале канала сужения (судя по всему, где-то до 40 нм).
Один из главных вопросов, стоящих перед исследователями, изучающими транспорт веществ через пору, — двигается ли груз внутри канала целенаправленно или «мечется» по законам диффузии? Рассмотрев передвижения квантовых точек внутри канала, ученые отмели предположения о направленном движении груза и заключили, что он передвигается по законам аномальной субдиффузии (если упрощать, то это почти диффузия, просто проходящая неравномерно в разных направлениях и более вялая, чем обычная). При этом вдоль канала частицы движутся гораздо свободнее, чем поперек.
Перед исследователями стоял еще один важный вопрос — как влияет количество присоединенных импортинов на передвижение груза? Будет ли груз, на который «налипло» больше импортиновых молекул, проходить сквозь пору легче благодаря лучшему сродству к поверхности поры — или, наоборот, тяжелей, потому что импортины будут постоянно связываться с белками поры и тормозить его? Чтобы выяснить это, ученые создали квантовые точки с примерно вдвое меньшим количеством сайтов связывания для импортина β. Оказалось, что такие точки «зависают» в канале поры гораздо дольше, чем контрольные. Иными словами, чем с меньшим количеством молекул импортина связался груз, тем тяжелее ему будет пройти через пору, и наоборот.
И последний вопрос: в какой момент в игру включается Ran? Как этот белок влияет на передвижения груза внутри канала и влияет ли вообще? Чтобы найти ответ на этот вопрос, исследователи записали траектории передвижения квантовых точек в отсутствие Ran. Оказалось, что его отсутствие никаким образом не влияет на перемещения груза в поре и уж тем более в цитоплазме. Единственное отличие, которое обнаружили ученые, — это что без Ran грузы не в состоянии совершить последний шаг и попасть из канала поры внутрь ядра. Это не только проясняет роль Ran, но и показывает, что канал поры функционально ассиметричен — в отсутствие Ran он с гораздо большей вероятностью «выплюнет» груз назад в цитоплазму, чем позволит ему оказаться в ядре. Но вот как так получается, что груз может без проблем вернуться в цитоплазму, а в ядро пролезть не может — пока что совершенно неясно. Непонятен до конца и механизм работы Ran. Будем надеяться, что дальнейшие исследования смогут разгадать эти загадки.
Ядерный транспорт. Груз может прямо пойти в канал поры либо вначале соединиться с филаментами (волнистые линии), которые его туда направят. После этого ему нужно преодолеть сужение в начале канала (голубые выступы), а затем добраться до молекул Ran (красная полоса), которые помогут ему попасть в ядро. Transport direction — направление транспорта. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Резюмируя полученные данные, исследователи предложили разделить ядерный транспорт на несколько стадий:
1) Филаменты захватывают груз в цитоплазме и направляют его к каналу поры. Эта стадия необязательная, ее наличие или продолжительность не влияют на дальнейшую судьбу груза — просто филаменты позволяют расширить область, из которой плавающий по цитоплазме груз может попасть в ядро.
2) Груз проходит через сужение в начале канала. Если размеры груза слишком велики, то на этой стадии путешествие в ядро для него заканчивается.
3) Грузы аномально субдиффундируют внутри канала, причем чем больше импортинов «облепляет» груз, тем легче ему передвигаться.
4) И наконец, последний шаг — с помощью Ran груз попадает в полость ядра.
Первые три этапа обратимы, а последний — необратим. Если уж груз попал в ядро, то там он и останется. Разве что он каким-то образом окажется помечен сигналом ядерного экспорта (см. Nuclear export signal). Но это — совсем другая история.
Источник: Alan R. Lowe, Jake J. Siegel, Petr Kalab, Merek Siu, Karsten Weiskweis, Jan T. Liphardt. Selectivity mechanism of the nuclear pore complex characterized by single cargo tracking // Nature. Doi:10.1038/nature09285. Published online 1 September 2010.
Читайте также: