Partie I

I-Présentations

A) La Radioactivité

a) Définition de rayonnement ionisant

Les rayonnements ionisants sont des rayonnements qui créent une ionisation (fait de chargé électriquement un élément ou une molécule, c’est-à-dire lui enlever ou lui ajouter des électrons)   dans le tissu qu’il traverse. Ces rayonnements, maîtrisé, peuvent avoir des effets positifs (médecine, industrie…) mais sont très nocives voir mortel pour les êtres vivants. Les rayons ionisant sont de natures et de sources variées, et leur propriété dépend de la nature des particules constituant le rayonnement et de leur énergie.

b) La découverte de la radioactivité

En 1896, Henry Becquerel, physicien français découvrit la radioactivité au cours de l’une de ses expériences sur l'existence d'une relation entre le phénomène de fluorescence des sels d'uranium. En plaçant, à la lumière, des sels d'uranium sur une plaque photographique recouverte d'un carton noir il constata par la suite que ceux-ci émettaient des rayons x. C'est en développant des plaques photos vierges rangées dans  l’obscurité, à côté de l'uranium qu'il découvrit que celles-ci étaient impressionnées.

   Henry Becquerel

En s'intéressant aux travaux de Wilhelm Röntgen et d'Henry Becquerel. Marie Curie étudie des rayonnements similaires produits par l'uranium. Grâce aux techniques piézoélectriques inventées par son mari, elle analyse les rayonnements de la pechblende (minerai riche en uranium). Elle en déduit l'existence d'éléments encore plus radioactifs car celui-ci rayonne plus intensément que l'uranium.

En 1898, Pierre et Marie Curie annoncent la découverte de deux éléments : le polonium et le radium. Elle reçut le prix Nobel de physique en 1903, avec son mari et H. Becquerel ainsi que le prix Nobel de Chimie pour son travail sur le radium et ses composés en 1911.

   Marie Curie

c) Les types de rayonnements

Les rayonnements alpha: 

  Les atomes ou molécules émettant un rayonnement alpha émettent une « particule alpha » c'est-à-dire deux électrons et deux neutrons (ou noyau d'hélium).Les particules alpha sont émises à une vitesse avoisinant les 20.000 km/s. Ces rayonnements sont très facilement stopper par les champs électromagnétiques avoisinant la matière. Elles peuvent être arrêtées par une simple feuille de papier.

Le rayonnement bêta:

Une particule bêta est issue d'une désintégration bêta.

Il s'agit d'un électron dans le cas d'une désintégration de type β- et elle sera alors accompagnée d'un antineutrino électronique. Cette désintégration est provoquée par un excès de neutrons. En dehors de la radioactivité bêta, les électrons ont globalement une élicité nulle.

Dans le cas d'une désintégration β+, il s'agit d'un antiélectron (ou positron) et elle sera accompagnée d'un neutrino électronique. Cette désintégration est provoquée par un excès de protons.

Les rayonnements gamma:

Les rayons gamma sont bien plus pénétrants que les rayons alpha ou bêta mais sont moins ionisants. Ils sont crées par des transitions nucléaires Le blindage contre les rayons gamma requiert des grandes quantités de matière. Par exemple un blindage qui réduit de 50 % l'intensité des rayons gamma nécessite 1 cm de plomb, 6 cm de béton ou 9 cm de terre.

d) Les unités de mesures

La dose absorbée donne une mesure de la quantité de radiation absorbée par la matière ; elle se mesure en Gray (Gy). Un Gray = 1 joule absorbé par kilogramme de matière. La dose absorbée ne dépend pas du type de radioactivité (alpha, bêta, gamma). On utilisait avant le Röntgen (R) (1 R= 2,58 x 10-4 C/kg) et plus récemment le Rad abréviation de ''radiation absorbé dose'', 1 rad=10-2 Gy)

La dose équivalente permet de prendre en compte l'effet des différents types de radioactivité sur les tissus vivants ; par exemple, 1 gray de radiation alpha aura plus d'effets qu'un gray de radiation bêta. La dose équivalente se mesure en Sievert (Sv) ; c'est en fait la dose absorbée multipliée par un facteur de pondération du rayonnement. Un sievert représente une dose très élevée et on parle généralement de milli-sievert (1 mSv=10-3 Sv). On utilisait avant le Rem (abréviation de  “röntgen équivalent man”, 1 rem = 10-2 Sv).

La dose efficace permet de prendre en compte le type de tissus soumis à la radiation. Elle se mesure aussi en sievert. C'est la dose équivalente multipliée par facteur de pondération tissulaire. Ce facteur dépend non seulement de la radiosensibilité de chaque organe, mais aussi de la gravité (donc de la mortalité) des cancers radio-induits.

B) L’ADN

a) Définition de ADN

            L'ADN (Acide Désoxyribonucléique) est une molécule que l'on retrouve dans toutes les cellules vivantes. Cette molécule recense l'ensemble de l'information génétique nécessaire au bon développement de notre organisme. Elle se trouve dans toutes les cellules vivantes y comprit dans les gamètes c'est donc aussi le support de l'hérédité.

            L'ADN, dans les cellules eucaryotes, se trouve dans le noyau et dans le cytoplasme pour les cellules procaryotes. Elle détermine aussi la synthèse des protéines.    

b) Constitution de la molécule d'ADN

            L'ADN  est  constitué de deux brins se faisant face et constituant une double hélice. Ces brins sont eux même constitués de séquences de nucléotides, chaque nucléotide est constitué d'un groupement phosphate lié à un sucre, le désoxyribose, lui-même lié a une base azotée. Il existe quatre bases azotées dans l'ADN : l'adénine (notée A), la thymine (notée T), la cytosine (notée C), la guanine (notée G). Ces bases azotées lient les deux brins par des liaisons hydrogène en paires complémentaires: l'adénine se lie avec la thymine et la guanine avec la cytosine; c'est le principe de complémentarité des bases azotées. Il y a deux liaisons hydrogène entre A et T et trois entre C et G ce qui donne A- -T ou T- -A et C- - -G ou G- - -C. Ainsi en n'ayant qu'un seul brin, nous pouvons retrouver le second grâce à cette     complémentarité.

Schéma d'une molécule d'ADN (double hélice)

c) Les bases azotées

            Les bases azotées ont des formes géométriques différentes: la thymine et la cytosine ont une forme pyramidique alors que l'adénine et la guanine ont une forme purique. Une forme pyramidique complète une forme purique.

            Un nucléotide est formé par un groupe de phosphate, du désoxyribose et une base azotée. Par conséquent, il existe quatre nucléotides différents. Un « brin » d'ADN est formé par la répétition ordonnée de ces nucléotides. Les bases azotées sont complémentaires deux à deux, une purique s'associant toujours à une pyrimidique.

Schémas des molécules des bases azotées:

Molécule d'adénine                Molécule de thymine              Molécule de cytosine                    Molécule de Guanine

Ces bases azotées sont, comme leur nom l'indique, constitué d'azote (N). On constate sur ces schémas  que l'on peut les regrouper par paire dû à leur forme géométrique. Cela explique donc la complémentarité des bases azotées (thymine avec adénine et cytosine avec guanine).

                                        Schéma de la molécule d'ADN

Le schéma ci-dessus nous montre une partie d'une molécule d'ADN ainsi que la disposition des différentes  molécules les une par rapport aux autres. On observe notamment les différentes liaisons entre bases azotées (liaisons hydrogènes) ainsi que les chaines de groupement phosphate et de désoxyribose appelé ici armature de phosphate-désoxyribose.

d) La découverte de l'ADN

            La caractérisation et la découverte de la structure chimique de l'ADN se sont faites en plusieurs étapes :

- En 1869, le Suisse Friedrich Miescher isole une substance riche en phosphore dans le noyau des cellules, qu'il nomme nucléine.

- En 1889, l'Allemand Altman sépare à partir de la nucléine, des protéines et une substance acide: l'acide nucléique.

- En 1896, l'Allemand Kossel découvre dans l'acide nucléique les 4 bases azotées A, T, C, G.

- En 1928, Levene et Jacobs identifient le désoxyribose. En 1935, on parle alors d'acide désoxyribonucléique.

- En 1944, l'américain Avery découvre que l'ADN est l'agent transformant  des bactéries  et donc ce serait bien le support de l'hérédité. Mais, certains scientifiques restent sceptiques, et n'abandonnent pas l'idée que les protéines puissent porter l'information génétique.

- En 1952, l'expérience de Hershey et Chase contredit cette hypothèse.

            Dans cette première partie, qui est également la présentation de notre sujet,  nous avons défini les principaux termes de notre TPE, c’est-à-dire les radiations et l'ADN. Nous connaissons désormais leurs utilités ainsi que le contexte historique de leur découverte. Sachant que l'ADN est le support de notre information génétique et que nous sommes constamment soumis aux radiations (naturelles ou artificiels), nous allons à présent étudier dans une deuxième partie comment l'ADN et les radiations interagissent entre eux.