II- Interaction entre l’ADN et la radioactivité
A) TP : Mutagenèse par radiation à UV
1/Hypothèse : On suppose que l’exposition de l’ADN à un rayonnement à ultraviolet (UV) provoque en lui des mutations.
2/Protocole:
a- Conditions de travail:
Les manipulations se font en milieu stérile, pour ne pas contaminer l’espèce étudiée par des espèces externes. Il est donc nécessaire de prendre quelques précautions :
-Nettoyer le support sur lequel s’effectuera la manipulation, à l’eau de javel.
-Se passer les mains à l’alcool.
-Travailler dans un rayon de 15 cm
autour du bec électrique.
-Utiliser les instrument et milieux stériles autour de la source de chaleur.
b- Expérience
A/Prélever 0,25 ml de la solution A avec le compte-goutte et l’introduire dans le tube contenant 2,25 ml d’eau stérile.
B/Bien mélanger, en agitant.
C/Avec le compte-goutte, verser environ 0,1 ml de la solution préparée dans une boîte de pétri, puis étaler immédiatement sur la gélose, en répartissant au mieux.
D/Refaire de la même façon les 4 autres boîtes.
E/Inscrire les noms (I0 à I4) au-dessous des boîtes, sans les ouvrir (pour éviter une contamination).
F/Mettre les boîtes dans le compartiment à UV avec les temps d’expositions suivant:
-I0: 0 seconde (boîte témoin)
-I1: 10 secondes
-I2: 30 secondes
-I3: 1 minute
-I4: 2 minutes
L’irradiation des boîtes se fait sans le couvercle, mais il faut le replacer aussitôt après l’exposition (en le stérilisant). Entourer les boîtes d’un élastique, puis les placer dans l’étuve à 28°C
durant environ une semaine. Les radiations sont à 254 nm.
3/Résultats :
-Boîte I0 :
Aucune levure blanche. Pas de mutations.
-Boîte I4 :
Il n’y a plus de levures. Les mutations sont trop importantes, les levures n’ont pas le temps de se reconstruire.
Série de 5 boîtes |
I0 |
I1 |
I2 |
I3 |
I4 |
1 |
1/36 |
1/7 |
0/2 |
0/6 |
RIEN |
2 |
1/24 |
1/11 |
0/9 |
0/11 |
0/4 |
3 |
0/35 |
1/28 |
1/13 |
2/4 |
RIEN |
4 |
2/42 |
2/30 |
4/21 |
4/20 |
3/12 |
5 |
0/6 |
½ |
2/11 |
1/10 |
2/10 |
6 |
0/26 |
2/22 |
1/8 |
RIEN |
RIEN |
7 |
1/35 |
3/32 |
1/41 |
2/36 |
7/32 |
8 |
0/34 |
1/12 |
0/4 |
0/6 |
3/4 |
9 |
0/24 |
1/15 |
1/1 |
RIEN |
1/1 |
10 |
1/26 |
1/13 |
0/6 |
0/7 |
0/1 |
Moyenne |
1/48 |
1/13 |
5/58 |
2/25 |
1/4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Les fractions représentent le nombre de levures mutées (levures blanches) sur le nombre de levures normales (levures rouges). On a fait l’expérience avec 10 séries de boîtes dont 5 pour chaque série (soit 50 boîtes en tout). Pour finir, on a fait la moyenne de chacune des colonnes pour avoir de meilleurs résultats.
On a réalisé un graphique pour visualiser le nombre de levures mutées en fonction du temps d’exposition
4/Interprétation :
On remarque que lorsque les levures sont soumises à un rayonnement UV, leur couleur change, elles mutent donc. De plus, plus on augmente le temps d’exposition, plus les mutations sont importantes. On ne trouve parfois même plus de levures lorsque le temps d’exposition est important comme par exemple à partir de 2 minutes. Cela est dû au nombre important de mutations subit qui empêche la reconstruction des cellules des levures.
La courbe entretient une allure croissante, I3, il y a moins de levures mutées qu’à I2. Cela s’explique par une erreur expérimentale.
5/Conclusion :
L’hypothèse est validée. L’exposition de l’ADN à un rayonnement UV provoque des mutations car un caractère « couleur blanche » apparaît. Il s’agit d’un caractère qui se transmet de cellule à cellule, la modification porte donc bien sur l’ADN.
B) Les effets de la radioactivité sur l’organisme (effets néfastes)
Les radiations sont communément connues comme étant néfastes aux être vivant. Leurs effets dépendent de différents critères dont le type de radiation, la dose de radiation absorbée mais aussi de la radiosensibilité. Ces radiations sous forme de rayons ionisant sont susceptibles d’induire des modifications chimiques. En effet, les rayons arrachent des électrons à la couche K (couche externe) de l’atome (voir image 1). Le transfert d’énergie apporté par ces rayons en question à l’organisme humain est responsable des effets biologiques. Cette ionisation affecte les cellules des tissus ou des organes exposés, ce qui perturbe le fonctionnement habituel des cellules. Ces modifications peuvent porter atteinte à la molécule d’ADN présente dans le noyau des cellules, ce qui entraine une mutation chromosomique (voir image 2). Les modifications ou dommages sont appelés dommages radioinduits puisque comme leur nom l’indique, sont induits par des radiations. Comme il a été dit dans le I, l’ADN contient le génome, sa modification entraine donc des modifications (mutations) au niveau cellulaire et au niveau organique.
Image 1 : Ionisation d’un atome
Cette image représente un rayon ionisant ici appelé a, qui arrache un électron e¯ de la couche K de l’atome, qui se trouve sur sa trajectoire.
Image 2 : Mutation d’un chromosome
On observe un chromosome dicentrique. Sa mutation est du à des rayons ionisants. Ces derniers induisent donc bien des anomalies au niveau de l’ADN.
Cette partie du TPE est censé contenir une vidéo qui permet d’illustrer et de mieux comprendre l’explication ci-dessus, mais étant donné que c’est une version papier, nous ne pouvons que vous fournir l’adresse suivante « http://www.youtube.com/watch?gl=FR&hl=fr&v=z3zBJp-RI64 »
Après une exposition à des rayons ionisants, on constate plusieurs types d’effets. Ces effets dépendent des différents critères vus dans le premier paragraphe. Par conséquent à ces critères, on distingue deux types d’irradiation : les irradiations qui affectent le corps en entier qui sont appelé les irradiations globales, contrairement aux irradiations partielles qui concernent qu’une partie du corps. Dans le premier cas de figure, la moelle osseuse est le principal organe affecté par cette irradiation, or c’est en cet organe où se forment les cellules sanguines comme les leucocytes. L’irradiation partielle concerne quant à elle, principalement la peau et les organes reproducteurs car en effet, ils font parti des organes humain des plus sensibles.
Ainsi, les rayonnements ionisants peuvent avoir des effets sur les capacités de l’organisme à se défendre contre les infections (atteinte à la moelle osseuse). Ils peuvent également provoquer une stérilité temporaire ou définitive (atteinte aux organes reproducteurs) ou des lésions sur la peau. Les mutations dus à ces rayonnements peuvent porter préjudice au patrimoine génétique si toute fois, elles atteignent les cellules germinales. Il existe bien évidement d’autres symptômes, mais nous allons les présenter sous forme d’un tableau pour les mettre en relation avec les doses qui leur correspondent. Ainsi, les symptômes suivant sont observés dans le cas où une dose radioactive x est reçue en une seule fois ou à l’intérieur d’un délai de quelques jours. Si cette même dose est reçue progressivement sur une longue période, les symptômes pourraient différées ou seraient amoindrit étant donné que le corps humain répare une grande partie des dégâts causés par les radiations (en deux mois environ).
Dose en Sv |
Symptômes observés |
10 |
Atteinte neurologique (obnubilation, coma) suivi du décès en quelques heures à quelques jours |
8 |
Atteinte intestinale (diarrhée) et respiratoire suivi du décès en quelques jours à quelques semaines |
4,5 |
Dose létale 50 (50 % de mortalité en l'absence de traitement) |
3 |
Premiers signes cutanés (rougeurs de la peau), perte des cheveux |
2 |
Hospitalisation indispensable; atteinte de la moelle osseuse (anémie, infections, hémorragies) |
1 |
Premiers symptômes cliniques observables (nausées, vomissements) |
0,3 |
Anomalies minimes sur les prélèvements sanguins (diminution du taux de lymphocytes) |
0,2 |
Seuil en dessous duquel on n'observe aucun symptôme des radiations, ni d'effet différé, chez les adultes |
0,1 |
Seuil de 100 mSv en dessous duquel on n'a jamais constaté le moindre effet des radiations sur la santé, même à long terme, et même sur les fœtus et les femmes enceintes. |
|
|
On constate que les symptômes deviennent inquiétants à partir de 2 Sv où il est nécessaire d’hospitaliser la personne irradié. À partir de 3 Sv les symptômes apparaissent à l’œil nu, et au de-là des 4,5 Sv, le patient risque la mort.
Les rayons auxquelles nous sommes quotidiennement exposés ne franchissent jamais les barres les 1,5 mSv/an pour l’exposition artificielle et les 2 mSv/an pour l’exposition naturelle soit 3,5 mSv/an (évaluation mené sur le territoire français). La France respecte donc les normes de sécurité fixées par le CIPR qui stipule que la dose à laquelle le public est exposé ne doit pas dépasser les 5 mSv/an. Si cette dose (5 mSv) est reçue en une seule fois, alors la personne concernée voit apparaitre les premiers symptômes.
Schéma de la proportion de l’exposition naturelle et artificielle des radiations
C- Exemples précis
Moelle osseuse
L'irradiation de la moelle osseuse se fait à partir de 0.5/1 Gy. Au cours de cette irradiation le patient est atteint du syndrome hématopoïétique: c'est une diminution du nombre des cellules sanguines circulantes dans le sang. A la suite de cette irradiation on peut observer une hypoplasie.
Système digestif
L'irradiation du système digestif a lieu à partir de 4/5 Gy. Au cours de cette irradiation, le patient est atteint des syndromes gastro-intestinal et hématopoïétique. En effet, à cette dose de radiation, la moelle osseuse est aussi irradiée. Les symptômes observables du syndrome gastro-intestinal sont :
- des nausées
- de vomissements
- de diarrhées
- de déshydratation
- de crampes intestinales
Si le patient est une personne âgée ou un nourrisson; il nécessite une réhydratation rapide (une perfusion sous cutanée). On peut aussi observer une diminution des cellules sanguines circulantes dans le sang et une hypoplasie à cause du syndrome hématopoïétique.
La phase latente du syndrome gastro-intestinal est plus courte que celle du syndrome hématopoïétique. Cela est dû à la quantité de la dose de radiations reçue. Tous les troubles dus au syndrome gastro-intestinal sont les résultats de la destruction de la muqueuse intestinale par les radiations. La survie du patient irradié ne dépend que de la dose de radiations reçus et du traitement administré au patient.
Neuro-vasculaire
A partir de 50 Gy, chez une personne irradiée on peut observer le syndrome neuro-vasculaire : le patient n'a plus que 2 à 3 jours à vivre. Les signes cliniques observables sont : une prise de nausées, de vomissements, une forte augmentation de température, une prise de confusions et de désorientations. La phase latente du syndrome neuro-vasculaire est très courte elle ne dure que 4/6 heures. Les symptômes nerveux du patient sont d'abord les tremblements, puis les convulsions, le patient entre dans le coma et il meurt enfin. A cause de cette irradiation on observe une destruction des endothéliums donc il y a une fuite de liquide dans l'espace extracellulaire. La conséquence de cette destruction est l'apparition d'un œdème cérébrale, ce qui entraîne un choc vasculaire. Dans des cas de grandes doses il n'y a pas de syndromes gastro-intestinales, ni hématopoïétiques par fautes de temps.
Radio-exposition prénatale
Bien que l'exposition aux rayonnements ionisants comporte un risque à tout âge, l'irradiation des embryons et des fœtus est très préoccupante. L'exposition d'un embryon ou d'un fœtus aux rayonnements s'appelle la radio-exposition prénatale. Ceci a lieu lorsque l'abdomen de la mère est exposé aux radiations depuis l'extérieur de son corps. Cette radio-exposition prénatale peut aussi se faire lorsque la femme enceinte avale ou respire des matières radioactives, elle peut absorber ces matières dans son sang. Ces matières radioactives peuvent passer du sang de la mère dans le cordon ombilical jusqu'au fœtus/embryon ou se concentrer à certains endroits du corps de la mère à proximité de l'utérus (tel que la vessie) et exposer l'enfant à naître aux rayonnements. Les futurs nouveaux nés sont moins sensibles pendant certains stades de la grossesse que pendant d'autres. Toutefois, comme le futur bébé est protégé par l'abdomen de la mère, il est protégé dans l'utérus contre les sources radioactives à l'extérieur de l'abdomen de la mère. En conséquence, dans la plupart des cas d'exposition aux rayonnements, la dose de radiation reçue par le futur bébé est moins élevée que la dose reçue a laquelle la mère est exposée.
Par ailleurs, il est également important de réaliser qu'une exposition d'un embryon ou d'un fœtus aux rayonnements ionisants n'est pas nécessairement et automatiquement suivie d'effets nuisibles. Le risque dépend entre autres de la dose de rayons reçus et du moment de la grossesse. Si la radio-exposition prénatale a lieu durant les 2 premières semaines post-conception (après la conception) => « la loi du tout ou rien ». Au cours des 2 premières semaines de la grossesse, l'embryon n'est formé que de quelques cellules. Une cellule endommagée peut causer la mort de l'embryon avant même que la femme ne sache qu'elle est enceinte.
De grandes doses de radiations reçues par un futur bébé au cours des stades sensibles du développement (entre la 2ème et 15ème semaine) risquent de causer des malformations congénitales, surtout au niveau du cerveau. Lorsqu'un futur bébé est exposé à de grandes de doses de rayonnements (plus de 0.2 Gy) au cours des stades les plus sensibles du développement( entre la 8ème et 15ème semaine de la grossesse), les conséquences sur la santé peuvent être graves, surtout au niveau du cerveau. Des recherches ont constaté que les bébés exposés durant cette période de la grossesse aux bombes atomiques lâchées au-dessus d'Hiroshima avaient un taux élevé de lésions cérébrales ayant pour un QI plus bas, voire une déficience mentale sévère. Ces bébés ont également souffert d’une croissance retardée (jusqu'à 4% plus petits que les personnes de taille moyenne) et d’un risque accru d'autres malformations congénitales.
Entre les 16ème et 25ème semaines de la grossesse, des conséquences sur la santé peuvent être les mêmes que celles observées entre les 2ème et 15ème semaines, mais seulement lorsque les doses sont très élevées. A ce stade, la mère est atteinte des syndromes hématopoïétiques et gastro-intestinaux. Après la 26ème semaine, la sensibilité du futur bébé aux rayonnements et semblable à celle d'un nourrisson. Cela signifie qu'il est peu probable que des malformations congénitales aient lieu, et que le risque de développer un cancer plus tard dans la vie est peu probable.
D- Le Cancer (par irradiation)
En 1902, le premier cancer de la peau après irradiation a été diagnostiqué. 42 plus tard, une publication révéla que les radiologistes mouraient dix fois plus de leucémies que les autres médecins. Apres la suspicion d’une augmentation des leucémies en 1950, il eut confirmation de l’augmentation d’autres types de cancers, que l’on appelle « cancers solides » (poumon, sein, colon, etc.) par opposition aux leucémies.
Les progrès de la génétique permettent aujourd'hui de considérer que tous les cancers sont liés à une ou plusieurs altérations du génome survenues à un moment de la vie prénatal ou postnatal d'un individu. Le cancer est une maladie qui a pour fonctionnement la multiplication de cellules malignes (cancéreuses) en abondance de façon incontrôlée et incessante, ce qui entraîne à long terme une domination des cellules malines sur les cellules bénignes (non cancéreuses). En effet, cette duplication anarchique des cellules malignes s'oppose à la duplication contrôlée et intermittente des cellules bénignes qui caractérise les tissus normaux et qui n'a lieu que pour réparer les pertes cellulaires accidentelles par plaie ou agression et les pertes naturelles dues au vieillissement. Le cancer peut se manifester de différentes pathologies, classées selon les cellules et les tissus à partir desquels les cancers se développent. La tumeur développée dans un organe, la tumeur primitive, peut migrer vers d'autres organes tels que le cerveau, les poumons ou le foie, en passant des voies sanguines. Ces tumeurs secondaires, qui reproduisent la structure de la tumeur mère, s'appellent métastases.
Schéma de la prolifération des cellules cancéreuses
On observe qu’il n’y a qu’une seul cellule qui subit des mutations. Elle se duplique pour laisse place à des cellules malignes (ici représentées par un petit crabe*). D’après ce schéma, le cancer peut être du à l’altération que d’une seul cellule.
*Le crabe est appelé cancer dans le zodiaque des constellations. Cela explique sa présence dans un tel schéma.
Les cancers sont des maladies courantes dont la fréquence globale augmente avec l’âge. Dans les pays développés, la mortalité globale par cancer environne les 25 %, c’est par conséquent la deuxième cause de mortalité après les maladies cardiovasculaires. Des études montrent qu’environ une personne sur trois développera un cancer au cours de sa vie. Ces derniers sont causés par l'exposition à des virus, à des substances naturelles ou chimiques ou à des rayonnements ionisants. Comme il a été vu précédemment, parmi les cancers, on en distingue deux sortes, les leucémies et les tumeurs.
Statistiquement parlant, une personne sur cinquante ayant un cancer, a une leucémie. Ce chiffre varie peu avec l’âge. La leucémie est un type de cancer aussi appelé cancer du sang. Elle se caractérise par la prolifération de leucocyte (couramment appelé globules blanc) dans certains organes tel que la moelle osseuse. Il existe différent types de leucémie qui elles, varient avec l’âge. Certains types sont dits radio-inductible comme par exemple la leucémie myéloïde aiguë contrairement à la leucémie lymphoïde chronique. Un cancer radio-induit ne peut se développer que dans un tissu ou un organe qui a déjà été irradié auparavant.
Les tumeurs solides, comme les sarcomes sont peu fréquentes. Par exemple, le sarcome de l’os, plutôt situé au niveau du genou, apparaît chez l’enfant et l’adolescent. Les sarcomes sont rares chez l’adulte de plus de 40 ans. Des sarcomes radio-induits ont été observés chez des personnes qui avaient été exposés de façon chronique comme au niveau des mâchoires chez des femmes. Les expositions à certaines périodes de la vie peuvent augmenter ou non les risques de cancer. L'exemple le plus caractéristique est celui du cancer de la thyroïde (cancer de type papillaire), si l'exposition a lieu pendant la période de croissance, c'est-à-dire, du stade de fœtus à l'adolescent, le risque d’apparition de leucémies est augmenté alors que ce risque est inexistant ou quasi inexistant si l’irradiation a lieu à l’âge adulte. Les temps de latence sont longs et variables selon le type de tumeur : pour les leucémies, il y a un délai de deux ans à sept ans après irradiation qui est aussi variable selon le type de leucémie. Pour les tumeurs solides, les temps de latence peuvent atteindre plusieurs décennies, sauf le cancer de la thyroïde qui a un délai minimum de quatre ans
Dans le cas d'Hiroshima, 15 ans après l'exposition d'autres types de cancers (autre que des leucémies) furent observées en nombre élevé et chez les survivants ayant reçus plus de 1 Gray. Dans ce derniers cas sont essentiellement touchés la moelle osseuse, la glande thyroïde, le sein et l'os.
Comme nous venons de le voir dans cette partie consacrée à l'interaction entre l'ADN et les radiations, les rayons ionisants ont des effets plus ou moins permanant et spécialement néfastes sur notre organisme tel que les nombreux cancers qui en résultent ou bien même dans certains cas la mort. Dans cette dernière partie nous verrons si les dommages provoqués par ces interactions sont réversibles ou non. Si oui, par quel mécanisme cela est rendu possible? De plus, nous étudierons les possibles aspects positifs des radiations sur notre organisme d’être vivant.