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EFFET DIRECT

EFFET INDIRECT

Pr.H.Boulahdour

Année 2007

2ème partie

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LESIONS MOLECULAIRES PROVOQUEES PAR LES RAYONNEMENTS

QUI EST RESPONSABLE ?

Première particularité des rayonnements ionisants

Production de lésions moléculaires avec une très grande efficacité.

Les énergies mises en jeu pour les produire sont extrêmement faibles.

Deuxième particularité

Absence de spécificité moléculaire. Les échanges entre l’énergie radiative et les molécules (absorption ou émission de rayonnement) ne dépendent que de la nature des atomes et indépendants de la nature de la molécule absorbante.

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L’énergie moyenne perdue pour une ionisation dans un milieu aqueux irradié est de 32 eV.

La moitié environ (16 eV) est utilisée pour produire l’ionisation et l’autre moitié se partage entre excitations et transferts thermiques

En moyenne pour une ionisation, il se produit environ 3 excitations et un nombre plus élevé de transfert thermique.

Transfert de l’énergie sous forme thermique. Une dose de 1 Gy (1 joule / Kg) correspond à :

10.24 calories

4.19

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Si toute l’énergie se retrouve sous forme thermique, l’élévation de température est extrêmement faible (de l’ordre de 0.24 millièmes de degré centigrade) ne peut être tenue pour responsable des lésions moléculaires observées.

Transfert de l’énergie par ionisation et excitationionisation M M+ + e-

excitation M M*

Energie de liaison chimique H – OH : 5.16 eV

Donc une molécule ionisée ou excitée a un excès suffisant d’énergie pour rompre une de ses liaisons

L’excès d’énergie est expulsé :

• Sous forme de photon (phénomène de fluorescence

• par transfert de l’énergie à une liaison chimique

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Les ruptures de liaisons covalentes peuvent affecter celle dont l’électron a été éjecté ou une autre liaison plus éloignée dans la molécule ionisée ou voisine : une lésion moléculaire est produite.

Une dose de 1 Gy (6.24 1018 MeV/kg) correspond à

18176.24 10

2 10 ionisations32

sur un total de 3 1025 molécules d’eau contenue dans un litre d’eau pure, soit 1 ionisation seulement pour 100 millions de molécules.

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Parmi toutes les molécules, 2 ont une importance particuliere :

la molécule d’eau (70 % du poids du corps)

la molécule d’ADN compte tenu de son importance biologique et des conséquences biologiques d’une minime modification de sa structure.

Lésion d’une molécule d’ADN induite par transfert direct de l’énergie radiative (EFFET DIRECT) ou secondaire à des réactions physico-chimiques complexes (EFFET INDIRECT) par exemple secondaire à la radiolyse de l’eau

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La cible, responsable des effets biologiques

ADN

LESIONS DE L’ADN

Rupture d’un ou 2 brins

Modifications chimiques des bases et des sucres

Pontages intra ou intermoléculaires

Fréquence Nombre / Gy / noyau

Rupture double brin 40

Rupture simple brin 500 – 1000

Lésions des bases 800 – 2000

Lésions des sucres 800 – 1600

Pontage ADN-ADN 30

Pontage ADN-Protéine 150

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TRANSFERT DE L’ENERGIE A L’ADN

Cible : nucléosome ; sphère de 7 à 10 nm de diamètre. Très court segment de l’ADN ; cylindre de 2 nm de diamètre et de 2 nm de hauteur.

Cible : densité d’énergie très élevée. 10 eV absorbés dans une cible de 2 nm de diamètre > 106 J/Kg ou > 106 Gy.

Distribution des dépôts d’énergie

fréquence d’1 évènement dans une cible est faible : ≈ 10-6 / Gy

≈ 103 segments d’ADN/Gy atteints dans un noyau Dépôts de faible énergie

Dépôts d’E > 100 eV (≈ 10 ionisations et excitations) ≈ 20-100/Gy/noyau

Dépôts d’E de densité très élevée produits pour haut TLE

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Les lésions moléculaires les plus importantes à considérer sont celles secondaires à des dépôts d’E. de densité élevée

Quatre variétés de dépôts d’E.

1. Ionisation ou excitations isolées, quelques dizaines d’eV ; rupture simple brin

2. Dépôts d’E. de densité modérée (100 eV) ; fréquence augmente avec l’EBR des radiations de TLE faible ; lésions réparables ; ruptures double brins

3. Dépôts d’E 400 eV, TLE élevée ; fréquence augmente avec l’EBR ; particules alpha de faible E ; lésions complexes de l’ADN + lésions des molécules adjacentes

4. Dépôts d’E 800 eV ; TLE très élevé ; particules alpha, impact biologique mal connu

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Probabilité d’interaction avec la cible

Double chaîne d’ADN . Diamètre de 2 nm et de 2 nm de hauteur

La probabilité d’interaction dans une telle cible est de 10-6 / Gy. Pour 2 évènements, p = 10-12 / Gy

Puisque le nombre de cibles possibles dans l’ADN (2 m) est 109, une lésion en 1 site secondaire à 2 ou plusieurs évènements individuels est improbable.

Donc la plupart des lésions par effet direct sont liés à un évènement unique.

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RADIOLYSE DE L’EAU. EFFET INDIRECT

Irradiation de l’eau radicaux libres de haute réactivité chimique

Radical libre : atome ou molécule ayant un électron non apparié expliquant cette réactivité

Un radical peut être ionisé ou non

Phénomènes initiaux

Ionisation

Excitation

Trois étapes shématiquement

Etape prédiffusionnelle

Etape diffusionnelle

Etape chimique

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Radiolyse de l’eau

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Etape prédiffusionnelle

Temps de l’ordre de 10-12 s

+H O + H O OH + H O2 2 . . 3 .

l'électron éjecté

- - -e e th e aq

- *e th + H O2

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Etape diffusionnelle : (10-6 sec). Recombinaisons des produits de la radiolyse. Diffusion des produits de la radiolyse.

Réactions : 2 2

aq

2

aq

aq aq 2

aq 2

2

OH. OH. H O

OH. e OH

OH. H. H O

e H H.

e e H 2OH

e H. H OH

H. H. H

Produits de radiolyse présents à la fin de l’étape

2 2 2 aqOH., H., H , H , H O , e

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Etape chimique : Radicaux formés hautement réactifs OH. Peut modifier la liaison R - H

2

2

R H OH. R. H 0

R. OH. R OH

R H H. R. H

R. R.' R R'

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COMPARAISON EFFET DIRECT, EFFET INDIRECT

Effet indirect prédominant ?

Molécules d’eau +++

Radicaux libres courte durée (10-6 s).

Seuls les radicaux libres formés à proximité immédiate de la molécule peuvent la léser

Fréquence des lésions dans organisme vivant ou après dessication, sensiblement la même

effet direct prédominant