EFFET DIRECT EFFET INDIRECT 2ème partie Pr.H.Boulahdour Année 2007

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.

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 :

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 excitation ionisation 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

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 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.

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

LESIONS DE L’ADN La cible, responsable des effets biologiques  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

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

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. Ionisation ou excitations isolées, quelques dizaines d’eV ; rupture simple brin Dépôts d’E. de densité modérée (100 eV) ; fréquence augmente avec l’EBR des radiations de TLE faible ; lésions réparables ; ruptures double brins 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 Dépôts d’E  800 eV ; TLE très élevé ; particules alpha, impact biologique mal connu

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.

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

Radiolyse de l’eau

Etape prédiffusionnelle Temps de l’ordre de 10-12 s

Etape diffusionnelle : (10-6 sec) Etape diffusionnelle : (10-6 sec). Recombinaisons des produits de la radiolyse. Diffusion des produits de la radiolyse. Réactions : Produits de radiolyse présents à la fin de l’étape

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

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