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La radioactivité est nocive pour l'organisme. Mais quelles sont les causes et les conséquences d'une exposition au niveau cellulaire et, plus généralement, du corps humain ? Ce TPE traitant des effets de la radioactivité, nous commencerons par définir ce que sont les réactions nucléaires. Puis nous nous pencherons sur leur effet sur l'ADN (information génétique), ce qui nous mènera à voir si des modifications dans ce code peuvent avoir des répercutions à plus grande échelle que la cellule.

Hypothèse : La radioactivité crée des bouleversements dans le support génétique, ce qui fait dégénèrer la cellule et mène à des cancers.

Les réactions nucléaires

Il existe différentes réactions nucléaires, ayant chacune ses causes et propriétés propres. Il s'agit de transformations physiques complexes. Mais en quoi consistent ces transformations et réactions nucléaires ?

Désintégration a (ou fission nucléaire)
Elle concerne seulement les atomes les plus lourds (au moins 82 protons), pour lesquels l'interaction forte retenant les nucléons ensemble ne suffit pas à garder un noyau stable. Il arrive alors que 2 protons et 2 neutrons soit éjectés ensemble, sous la forme d'une particule a, qui est en fait un noyau d'hélium, l'atome à l'origine de la réaction voit donc sa masse atomique et son numéro baisser de deux unités. Par exemple, l'uranium 238 se transforme en thorium 234. Dans la réaction, un noyau d'hélium est éjecté à très haute énergie. Ce rayonnement est très nocif et a une trajectoire très droite, due à sa neutralité électronique, mais il ne parcourt quelques cm dans l'air et quelques dizaines de µm dans la peau. Il est donc dangereux lorsqu'une matière génératrice de rayonnements a est ingérée ou inhalée.

Désintégration ß-
Cette désintégration concerne les nucléides ayant trop de neutrons, un de ceux-ci est alors transformé en proton. Un électron est éjecté de l'atome, qui reste neutre électroniquement. Par exemple, le cobalt60 se transforme en nickel 60 en perdant un électron. Cet électron est moins nocif que le rayonnement a, et est plus facilement dévié, mais il est relativement plus pénétrant : quelques mm dans les tissus.

Désintégration ß+
Contrairement la désintégration ß-, celle-ci concerne les atomes ayant un excès de protons, un de ceux-ci se transforme en neutron et un positon (ou électron positif : une particule semblable à un électron, mais étant chargé positivement) est éjecté de l'atome. Exemple : le carbone 11 devient du bore 11 en émettant un positon. Ce rayonnement a les mêmes propriétés que le précédant au niveau de l'organisme

Désintégration par capture électronique
Cette réaction est en concurrence avec la désintégration ß-. Elle se produit aussi dans des atomes en surplus de protons. Un électron proche du noyau y est alors capté par un proton, qui se transforme alors en neutron. Cette réaction peut entraîner une radiation (photon) ou l'éjection d'un électron.

Emissions gamma
Un photon gamma est émis du noyau, il s'agit d'un rayonnement dont on peut déterminer l'énergie grâce à une formule trop complexe pour que nous soyons en mesure de la présenter ici. Il ne s'agit donc pas d'une transformation, puisque ni le noyau, ni l'atome, en général, ne changent d'état chimique.

Suite à ces rayonnements, se créent deux phénomènes simplifiés si dessous) : l'ionisation et l'excitation d'un atome.

Les différentes émissions qui représentent donc un danger pour l'homme sont présentes autour de nous. Le corps humain est même radioactif (dans une faible mesure). Mais quels sont donc les éléments radioactifs naturels qui entourent l'homme ?

Le tritium (hydrogène ayant deux neutrons en plus de son proton) est le principal élément radioactif d'origine cosmique (avec le carbone 14) naturel exposant l'homme à des radiations. Mais la plupart des éléments exposant l'homme à une radioactivité naturelle sont d'origine terrestre. Etant donné qu'il datent de la formation de la planète, seuls les isotopes dont la période est extrêmement grande sont encore présents à l'état radioactif. Les principaux sont présents dans les roches et sont le potassium 40, l'uranium 238 et le thorium232. On estime la dose ingérée par personne de 165Bq/jour (dont 163 d'origine naturelle, le reste venant de retombées d'essais nucléaire et de l'industrie).

L'exposition naturelle de l'homme à la radioactivité est faible, mais par de études sur des animaux et par le suivi de victimes de l'incident de Tchernobyl, du bombardement d' Hiroshima et Nagasaki, les effets sur la cellule vivante ont été étudiés, ce qui nous permet d'expliquer les conséquences cellulaires de l'exposition à des rayonnements ionisants.

Des références sont faites dans ce paragraphe, à des unités de mesure de radioactivité, les voici :
Le Gray mesure l'énergie absorbée par kilogrammes de masse 1Gy = 1 joule par kilogramme
L'électron-volt (ou eV) est une mesure d'énergie aussi, mais se base sur l'énergie d'un électron accéléré par un potentiel de 1 Volt. 6,24.1018eV =1Joule

Les lésions ADN

Dans la matière vivante une dose de 1 Gy provoque, dans chaque noyau cellulaire irradié, plusieurs milliers de lésions de l'ADN. Quelle en est l'explication ?

L'ionisation consiste finalement au niveau moléculaire en un transfert de l'énergie.
Cette énergie pourrait éventuellement devenir thermique mais l'élévation de température pour 1Gy serait de 0,24millièmes de °C. Impossible que cela soit la cause de lésions moléculaires.
Or ces lésions sont belles et bien visibles.
Les molécules, lors d'une ionisation, ou une excitation, sont très instables à cause d'un surplus d'énergie rapidement transféré. Deux cas se dégagent :
-Soit un photon est émis, alors la molécule retrouve sa forme initiale (fluorescence) : aucun lien alors avec les lésions.
-Soit l'énergie est transférée à une liaison chimique proche ce qui peut créer la rupture de cette liaison. L'énergie est ainsi transférée entre les diverses liaisons d'une même molécule voir se déplacer vers une molécule voisine : les lésions moléculaires se produit ainsi.
Ces ruptures ont lieu dans diverses molécules mais nous ne nous pencherons que sur le cas de la molécule d'ADN logée dans le noyau de la cellule.
Dans un noyau de cellule de masse 10-10g, soumis à une dose de 1Gy se produisent 20 000 ionisations dont 2000 sur les molécules ADN. Soit 1/10ème des ionisations atteignent le code génétique et sont susceptibles de modifier la structure de la molécule.

Effet indirect sur l'ADN
Les lésions moléculaires sont relativement simples.
Prenons comme exemple l'expérience qu'est la radiolyse de l'eau. Il s'agit, d'un côté, d'ioniser des molécules d'eau, et d'un autre, de les exciter, car il s'agit des deux événements conséquents d'une radiation de l'eau.
On notera les atome d'eau excités H2O* et les atomes ionisés H2O+. (Il est à noter que l'électron libéré lors de l'ionisation de l'eau s'entoure de molécules d'eau et est appelé électron aqueux (ou e-aq).)



On a donc des molécules instables, qui ont tendance à se séparer, puis à s'associer, en créant des produits bien différents. L'ionisation et l'excitation des molécules crée des instabilités, qui provoquent des séparations et associations incorrectes. On peut donc étendre ces effets aux chaînes ADN. En effet, certaines perturbations de la chaîne d'ADN sont entraînées : modification des bases, ruptures simple ou double brin, pontage inter- ou intra-brin ou pontage ADN-protéine.

Effet direct sur l'ADN

Au contraire de l'effet indirect, dans l'effet direct, la lésion moléculaire vient d'un dépôt d'énergie radiative très localisé en une région sensible de la chaîne d'ADN. C'est le trajet des particules ionisantes qui représente un danger pour l'organisme. Les lésions sur les chaînes Adn sont alors élevés, et une réparation de grande ampleur est nécessaire. Dans les deux cas, on peut résumer l'effet des rayonnements ionisants à ce schéma :

A l'échelle des chromosomes

Les radiations peuvent aussi créer dans les cellules de mammifères des lésions chromosomiques ou encore "aberrations chromosomiques". Il est évident que si le support de l'ADN est bouleversé, l'ADN le sera par ailleurs. Ici, nous pouvons observer le caryotype d'un lymphocyte humain fortement irradié :



Fort heureusement, l'ADN peut être réparé, ou la cellule détruite afin d'empècher des disfonctionnements trop grands chez l'individu.

Les procédés de réparation de l'ADN

Lorsque l'on étudie le nombre de cassure juste après irradiation et quelques heures après, on constate que leur nombre a considérablement chuté. Dans une cellule de mammifères, après une irradiation de 1Gy on compte immédiatement après 1500 cassures. Plusieurs heures après, les cassures ne sont que de quelques dizaines. La cellule peut donc réparer ces lésions. Mais comment les brins sont-ils réparés sans perdre d'information ni copier des informations erronées ?

Pour un seul brin lésé
Il existe deux modes de réparations par excision puis de resynthèse : excision simple (remplacement de chaque base manquante) ou excision d'un ensemble de nucléotides (plusieurs bases)

Dans le cas du double brin
Il existe aussi deux modes de réparations par excision puis de resynthèse : échange d'un brin de l'hélice A et B ou lors d'une rupture double brin, de chaque côté sont cherchés deux couples de bases identiques, une exonucléase élimine les bases entre eux et soude les deux brins. La réparation perd des données et laisse une lésion résiduelle.

Finalement, la vie de la cellule post radiation peut se simplifier par ce schéma :

Les rayonnements créent donc des lésions aux molécules d'ADN réparées de façon fidèle pour la plupart. Les lésions qui ne sont pas réparées peuvent donner des lésions résiduelles stables, susceptibles de faire muter de façon visible à l'échelle humaine.

Ces effets au niveau cellulaire sont bien évidemment répercutés au niveau de l'ensemble de l'organisme, voici des conséquences courantes à des expositions.

Effets sur l'organisme

En fonction des doses

On observe des effets différents selon les doses absorbées :

-Dose extrêmement élevée : plus de 100Gy
Cause un œdème cérébral, provoquant lui-même des vomissements, convulsions et coma. La peau se détache, le plus souvent. La mort survient en quelques heures.

-Dose très élevée : plus de 10Gy
Troubles moins intenses, l'œdème est pulmonaire ou intestinal, l'on observe de graves hémorragies, perforations intestinales... La mort survient dans les deux semaines suivant l'exposition.

-Dose élevée : ±10Gy
Les troubles sont moins intenses, et si ils sont bien traités, ils peuvent disparaître en une dizaine de jours, ce qui prouve la réparation des tissus organiques. Cependant, la mort des cellules osseuses peut fragiliser le malade, et son manque en plaquettes dans le sang peut provoquer des infections ou aggraver les hémorragies. Ces doses restent donc très dangereuses pour l'organisme, et doivent être traitées, sans quoi la mort est inévitable à moyen ou long terme.

-Dose de 5Gy :
Les lésions sont moins sensibles, mais nécessitent aussi des soins, car la dose peut encore être mortelle.

-Dose de 2 à 4Gy :
Il reste des déficits en plaquettes et certaines cellules pendant plus d'un mois, l'individu doit être hospitalisé.

-Dose inférieure à 2Gy :
Le malade n'est pas forcément hospitalisé, mais doit être suivi car certaines cellules peuvent être en déficit

Nous avons ici en exemple des cellules de rat une heure après une irradiation de 1Gy, la plupart sont réparées, mais pour l'une d'entre elles, il subsiste une anomalie non réparée (cependant cette cellule est toujours en vie)

Cancers radio-induits

Nous avons vu que les rayonnements ionisants provoquaient des dégénérescences des séquences ADN, et donc des cellules. De cancers peuvent donc apparaître suite à ces dégénérescences. Les cancers se déclarent tard après l'exposition aux rayonnements, mais ne concernent que des individus fortement irradiés. Ces cancers ont tué de nombreuses personnes irradiées lors du bombardement de Nagasaki et d'Hiroshima, même cinquante ans plus tard. De nombreux sujets sont étudiés suite de telles expositions.

Effets héréditaires

Les effets héréditaires apparaissent pour les descendants de personnes ayant subi une irradiation de leur système reproducteur. Les risques induits par ces effets ont été étudiés, et ils sont bien inférieurs à ce qui était supposé
Cependant, des anomalies ont été observées au niveau de la forme des chromosomes, ou même de leur association (trisomie, monosomie).Certains scientifiques supposent que ces anomalies ne sont pas beaucoup observées car les femmes ayant des anomalies génétiques au niveau de leur gamètes ont souvent des fausses couches.
Les études effectuées sur des enfants d'irradiés d'Hiroshima ou Nagasaki n'ont pas montré de troubles particuliers dans leur descendance. La seule étude confirmant la possibilité d'effets héréditaires fut effectuée sur 82 générations de souris, avec toutefois des effets très faibles par rapport à l'irradiation des géniteurs.

Nous avons vu les effets des rayonnements ionisants sur la matière cellulaire ; des incidents au niveau de l'information génétique paraissent donc avoir de graves répercussions sur l'ADN et donc l'organisme en général.

Conclusion

Si on s'axe sur l'information génétique afin de voir à quelle point ces lésions ADN peuvent être dangereuses pour le corps humain, on remarque que ces lésions sont trés nombreuses en cas d'exposition. Cependant, ces lésions sont courantes : la radioactivité ne fait qu'augmenter leur nombre. C'est pourquoi nous possèdons des enzymes capables de reconstruire plus ou moins fidèlement l'information, mais sans assurer l'absence d'erreurs. L'hypothèse est donc validée.