Princípios de Bioquímica de Lehninger - 7.ed.

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Esta 7ª edição mantém a qualidade que tornou o texto original de Lehninger um clássico na área, com explicações úteis para conceitos complexos e apresentando aos estudantes uma visão clara e abrangente da bioquímica como é entendida e praticada hoje. Além de oferecer esclarecimentos importantes e aplicações práticas na medicina, na agricultura e pecuária, na nutrição e na indústria, a bioquímica dedica-se a elucidar o milagre da vida em si. Assim, por aproximar a bioquímica do dia a dia, enfocando seu papel fundamental nos avanços da saúde e do bem-estar humano e incorporando os mais recentes avanços científicos, esta nova edição de Princípios de bioquímica de Lehninger permanece como a referência ideal para estudantes e profissionais da área.

33 capítulos

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1.1 Fundamentos celulares

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2   C A P Í T ULO

1  •  F u ndam e nt o s da b i o q u ím i c a

(a)

(b)

(c)

FIGURA 1-1  Algumas características da matéria viva.  (a) A complexidade microscópica e a organização são visíveis nesse corte fino de tecido muscular de vertebrado, produzido por microscópio eletrônico e colorido artificialmente. (b) O falcão do campo capta nutrientes e energia comendo aves menores. (c) A reprodução biológica ocorre com uma fidelidade quase perfeita. [Fontes: (a) SPL/Science Source. (B) W. Perry

Conway/Corbis. (c) F1online digitale Bildagentur GmbH/Alamy.]

Capacidade de se alterar ao longo do tempo por meio de uma evolução gradativa. Para sobreviver em circunstâncias novas, os organismos, a passos muito pequenos, alteram as estratégias de vida que herdaram. O resultado de milhões e milhões de anos de evolução é a enorme diversidade de formas de vida, muito diferentes superficialmente (Figura 1-2), mas relacionadas por uma ancestralidade comum. Essa unidade fundamental dos organismos vivos se reflete na semelhança das sequências gênicas e nas estruturas das proteínas.

 

1.2 Fundamentos químicos

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12   C A P Í T ULO

1   •  F u ndam e nt o s da b i o q u ím i c a

■■ As proteínas do citoesqueleto organizam-se em longos

ganismos vivos, em termos de porcentagem do total de número de átomos, são hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e carbono, que, juntos, constituem mais de 99% da massa das células. Eles são os elementos mais leves capazes de formar de maneira eficiente uma, duas, três e quatro ligações; em geral, os elementos mais leves formam ligações mais fortes. Os microelementos constituem uma fração ínfima do peso do corpo humano, mas todos são essenciais

à vida, geralmente por serem essenciais para a função de proteínas específicas, incluindo muitas enzimas. A capacidade de transporte de oxigênio da hemoglobina, por exemplo, é totalmente dependente de quatro íons ferro, que, somados, representam somente 0,3% da massa total da hemoglobina.

filamentos que dão forma e rigidez às células e servem como trilhos ao longo dos quais as organelas celulares se deslocam por toda a célula.

 

1.3 Fundamentos físicos

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1. 3  F u ndam e nt o s f ís i co s  

quências contêm as informações que dão a cada molécula sua estrutura tridimensional e funções biológicas específicas.

■■ A configuração das moléculas pode ser alterada so-

mente mediante quebra de ligações covalentes. Em um átomo de carbono com quatro substituintes diferentes (carbono quiral), os grupos substituintes podem estar arranjados em duas formas diferentes, gerando estereoisômeros com propriedades distintas.

Somente um dos estereoisômeros é biologicamente ativo. Conformação molecular é a disposição dos átomos no espaço que pode ser mudada por rotação em torno de ligações simples, sem quebrar qualquer ligação covalente.

■■ Interações entre moléculas biológicas são quase inva-

riavelmente estereoespecíficas: elas necessitam de um ajuste preciso entre as estruturas complementares das duas moléculas que reagem entre si.

1.3  Fundamentos físicos

Células e organismos vivos precisam realizar trabalho para se manterem vivos e se reproduzirem. As reações de síntese que ocorrem dentro das células, da mesma maneira que os processos de síntese em uma fábrica, exigem consumo de energia. Também é necessário gastar energia para o movimento de uma bactéria, de um velocista olímpico, para o brilho de um vaga-lume ou para a descarga elétrica de um peixe elétrico. O armazenamento e a expressão de informação necessitam de energia, sem a qual estruturas ricas em informação inevitavelmente se tornam desordenadas e sem sentido.

 

1.4 Fundamentos genéticos

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1. 4 F u ndam e nt o s g e n é t i co s  

29

RESUMO 1.3  Fundamentos físicos

O metabolismo é regulado para alcançar um equilíbrio e ser econômico

■■ Células são sistemas abertos que trocam matéria e ener-

As células não só sintetizam simultaneamente milhares de tipos diferentes de carboidratos, gorduras, proteínas e moléculas de ácidos nucleicos e suas subunidades mais simples, como o fazem nas quantidades e proporções exatas de que a célula precisa em determinada circunstância.

Por exemplo, os precursores de proteínas e ácidos nucleicos devem ser produzidos em grandes quantidades durante um crescimento celular rápido. Por outro lado, em células que não estão crescendo a demanda por esses precursores é muito menor. As enzimas-chave em cada via metabólica são reguladas de modo que cada tipo de molécula precursora seja produzido na quantidade apropriada às demandas momentâneas das células.

Considere, por exemplo, a via que leva à síntese do aminoácido isoleucina, um constituinte das proteínas, em E. coli. A via tem cinco passos catalisados por cinco enzimas diferentes (A a F representam os intermediários da via):

 

1.5 Fundamentos evolutivos

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32   C A P Í T ULO

1   •  F u ndam e nt o s da b i o q u ím i c a

1.5  Fundamentos evolutivos

Gene da hexocinase

DNA

Nada na biologia faz sentido exceto sob a luz da evolução. transcrição do DNA em RNA complementar

RNA mensageiro tradução do RNA nos ribossomos em cadeias polipeptídicas

Hexocinase não dobrada dobramento da cadeia de polipeptídeo na estrutura nativa da hexocinase

ATP + glicose

Hexocinase cataliticamente ativa

ADP + glicose-6-fosfato

FIGURA 1-33  Do DNA ao RNA, do RNA à proteína e da proteína à enzima (hexocinase).  A sequência linear de desoxirribonucleotídeos no DNA (o gene) que codifica a proteína hexocinase é primeiro transcrita em uma molécula de ácido ribonucleico (RNA) com uma sequência complementar de ribonucleotídeos. A sequência do RNA (RNA mensageiro) é, então, traduzida na cadeia linear da proteína hexocinase, que se dobra na forma nativa tridimensional com o auxílio das chaperonas moleculares. Atingida a forma nativa, a hexocinase passa a ter atividade catalítica: ela catalisa a fosforilação da glicose, usando ATP como doador do grupo fosforila.

 

Capítulo 2 - Água

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2

Água

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

Interações fracas em sistemas aquosos  47

Ionização da água e de ácidos e bases fracos  58

Tamponamento contra mudanças no pH em sistemas biológicos 63

A água como reagente  69

O ajuste do meio aquoso em organismos vivos  69

A

água é a substância mais abundante nos sistemas vivos, constituindo mais de 70% do peso da maioria dos seres vivos. O primeiro organismo vivo na Terra, sem dúvida, apareceu em um ambiente aquoso, e o curso da evolução foi moldado pelas propriedades do meio aquoso no qual a vida começou.

Este capítulo inicia com descrições das propriedades físicas e químicas da água, à qual, em todos os aspectos, a estrutura e a função da célula estão adaptadas. As forças de atração entre as moléculas da água e a pequena tendência da água em ionizar são de crucial importância para a estrutura e a função das biomoléculas. Será revisado o tópico da ionização em termos das constantes de equilíbrio, pH e curvas de titulação e discutido como as soluções aquosas de

 

Capítulo 3 - Aminoácidos, peptídeos e proteínas

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3

Aminoácidos, peptídeos e proteínas

3.1

3.2

3.3

3.4

A

Aminoácidos 75

Peptídeos e proteínas  85

Trabalhando com proteínas  89

Estrutura das proteínas: estrutura primária  96

s proteínas controlam praticamente todos os processos que ocorrem em uma célula, e elas apresentam uma variedade quase infinita de funções. Para explorar os mecanismos moleculares dos processos biológicos, os bioquímicos estudam quase que inevitavelmente uma ou mais proteínas. As proteínas são as macromoléculas biológicas mais abundantes, estando presentes em todas as células e em todas as partes das células. Além disso, há uma grande diversidade de proteínas; milhares de tipos diferentes podem ser encontrados em uma única célula. Como árbitros da função molecular, as proteínas são os produtos finais mais importantes das vias de informação discutidas na Parte

III deste livro. As proteínas são os instrumentos moleculares pelos quais a informação genética é expressa.

 

Capítulo 4 - Estrutura tridimensional das proteínas

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4

Estrutura tridimensional das proteínas

4.1

4.2

4.3

4.4

A

Visão geral sobre a estrutura das proteínas  115

Estrutura secundária das proteínas  119

Estruturas terciária e quaternária das proteínas  125

Desnaturação e enovelamento das proteínas  142

s proteínas são moléculas grandes. O esqueleto covalente das proteínas é formado por centenas de ligações simples. Devido à livre rotação entre várias dessas ligações, a proteína consegue, em princípio, assumir um número de conformações praticamente incontável. Entretanto, o fato de cada proteína ter uma função química e uma estrutura específicas sugere que cada uma tenha uma estrutura tridimensional única (Figura 4-1). Quão estável é essa estrutura, quais são os fatores que guiam a formação das proteínas, o que mantém a estrutura coesa? No fim de 1920, várias proteínas foram cristalizadas, incluindo a hemoglobina (Mr 64.500) e a enzima urease (Mr 483.000). Como, em geral, o arranjo ordenado das moléculas em um cristal pode ocorrer somente se as unidades moleculares forem idênticas, a descoberta de que várias proteínas poderiam ser cristalizadas tornou evidente que até mesmo proteínas muito grandes são unidades químicas individuais com estruturas

 

Capítulo 5 - Função proteica

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5

Função proteica

5.1

Interação reversível de uma proteína com um ligante: proteínas de ligação ao oxigênio  158

5.2

Interações complementares entre proteínas e ligantes: o sistema imune e as imunoglobulinas  174

5.3

Interações proteicas moduladas por energia química: actina, miosina e motores moleculares  179

A

s proteínas agem por meio de interações com outras moléculas. Conhecer a estrutura tridimensional das proteínas é uma etapa importante para poder entender como as proteínas funcionam. A biologia estrutural moderna geralmente inclui conhecimento sobre interações moleculares. Contudo, as proteínas cujas estruturas foram examinadas até agora são enganosamente estáticas. Proteínas são moléculas dinâmicas. As interações entre moléculas são influenciadas de maneira a ter importância fisiológica. Algumas vezes as mudanças na conformação da proteína são sutis e outras vezes são enormes. Este capítulo e o capítulo seguinte exploram o assunto de como as proteínas interagem com outras moléculas e como essas interações estão relacionadas com a dinâmica da estrutura proteica. Essas interações serão divididas em dois tipos. Algumas dessas interações levam à alteração na configuração química ou na composição das moléculas que interagem com proteínas que agem como catalisadores, ou enzimas. As enzimas e as reações nas quais elas estão envolvidas serão discutidas no

 

Capítulo 6 - Enzimas

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6

Enzimas

6.1

6.2

6.3

6.4

6.5

S

Introdução às enzimas  187

Como as enzimas funcionam  190

A cinética enzimática como abordagem para compreender mecanismos 198

Exemplos de reações enzimáticas  213

Enzimas regulatórias  225

ó há vida se duas condições básicas forem preenchidas.

Primeiro, o organismo deve ser capaz de se autorreplicar

(tópico considerado na Parte III); segundo, ele deve ser capaz de catalisar reações químicas com eficiência e seletividade. Embora possa parecer que o papel central da catálise não seja evidente, ele é fácil de demonstrar. Como foi descrito no Capítulo 1, os sistemas vivos fazem uso da energia do ambiente. Grande parte da população humana, por exemplo, consome quantidades substanciais de sacarose (o açúcar comum) como combustível, geralmente na forma de comidas e bebidas doces. A conversão de sacarose em CO2 e H2O, em presença de oxigênio, é um processo altamente exergônico, liberando energia livre que pode ser usada para pensar, mover-se, sentir gostos e enxergar. Entretanto, um saco de açúcar pode permanecer na prateleira por anos a fio sem ser convertido em CO2 e H2O. Embora esse processo químico seja termodinamicamente favorável, ele é muito lento. Mesmo assim, quando a sacarose é consumida por seres humanos (ou por qualquer outro organismo), ela libera sua energia química em segundos. A diferença é a catálise. Sem catálise, as reações químicas, como aquelas da oxidação da sacarose, não poderão ocorrer na escala de tempo adequada e, então, não poderão sustentar a vida.

 

Capítulo 7 - Carboidratos e glicobiologia

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7

Carboidratos e glicobiologia

7.1

7.2

7.3

7.4

7.5

O

Monossacarídeos e dissacarídeos  241

Polissacarídeos 252

Glicoconjugados: proteoglicanos, glicoproteínas e glicoesfingolipídeos 261

Carboidratos como moléculas informativas: o código dos açúcares 267

Trabalhando com carboidratos  272

s carboidratos são as biomoléculas mais abundantes na Terra. A cada ano, a fotossíntese converte mais de

100 bilhões de toneladas de CO2 e H2O em celulose e outros produtos vegetais. Alguns carboidratos (açúcar e amido) são os principais elementos da dieta em muitas partes do mundo, e sua oxidação é a principal via de produção de energia na maioria das células não fotossintéticas.

Polímeros de carboidratos (também chamados de glicanos) agem como elementos estruturais e protetores nas paredes celulares bacterianas e vegetais e nos tecidos conectivos dos animais. Outros polímeros de carboidratos lubrificam as articulações e auxiliam o reconhecimento e a adesão intercelular. Polímeros de carboidratos complexos, ligados covalentemente a proteínas ou lipídeos, atuam como sinais que determinam a localização intracelular ou o destino metabólico dessas moléculas híbridas, chamadas de glicoconjugados. Este capítulo apresenta as principais classes de carboidratos e glicoconjugados e traz alguns exemplos de seus muitos papéis estruturais e funcionais.

 

Capítulo 8 - Nucleotídeos e ácidos nucleicos

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8

Nucleotídeos e ácidos nucleicos

8.1

8.2

8.3

8.4

Alguns dados básicos  279

Estrutura dos ácidos nucleicos  285

Química dos ácidos nucleicos  295

Outras funções dos nucleotídeos  310

O

s nucleotídeos têm várias funções no metabolismo celular. Eles são a moeda energética nas transações metabólicas; são as ligações químicas essenciais nas respostas da célula a hormônios e a outros estímulos extracelulares; e são os componentes estruturais de uma estrutura ordenada de cofatores enzimáticos e intermediários metabólicos. E, por último, mas certamente não menos importante, eles são os constituintes dos ácidos nucleicos:

ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico

(RNA), os repositórios moleculares da informação genética.

A estrutura de cada proteína, e, em última análise, de cada biomolécula e componente celular, é um produto da informação programada na sequência nucleotídica de ácidos nucleicos da célula (ou vírus). A capacidade de armazenar e transmitir a informação genética de uma geração a outra é uma condição fundamental para a vida.

 

Capítulo 9 - Tecnologias baseadas nas informações do DNA

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9

Tecnologias baseadas nas informações do DNA

9.1

9.2

9.3

A

Estudando os genes e seus produtos  320

Utilização de métodos com base no DNA para a compreensão das funções das proteínas  335

Genômica e história da humanidade  344

complexidade das moléculas e dos sistemas apresentados neste livro pode, algumas vezes, ocultar uma realidade bioquímica: o que aprendemos até agora é apenas o começo. Novos lipídeos, proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos são descobertos a cada dia e, com frequência, não se tem ideia sobre suas funções. Quantos ainda serão descobertos e quais serão suas funções? Até mesmo moléculas bem caracterizadas continuam a desafiar os pesquisadores com inúmeras questões mecanísticas e funcionais não resolvidas. Uma nova era, definida pelas tecnologias que permitem amplo acesso ao conjunto do DNA da célula, o genoma, teve progresso acelerado.

A palavra “genoma”, proposta pelo botânico alemão

Hans Winkler, em 1920, foi derivada simplesmente pela combinação gene e a sílaba final de cromossomo. Um genoma, hoje, é definido como o conjunto genético haploide completo de um organismo. Na verdade, um genoma é uma cópia da informação hereditária necessária para especificar um organismo. Para organismos que se reproduzem sexuadamente, o genoma inclui um conjunto de autossomos e um de cada tipo dos cromossomos sexuais.

 

Capítulo 10 - Lipídeos

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10

Lipídeos

10.1

10.2

10.3

10.4

Lipídeos de armazenamento  361

Lipídeos estruturais em membranas  366

Lipídeos como sinalizadores, cofatores e pigmentos  374

Trabalhando com lipídeos  381

O

s lipídeos biológicos são um grupo de compostos quimicamente diversos, definidos por uma característica em comum: a insolubilidade em água. As funções biológicas dos lipídeos são tão diversas quanto a sua química.

Gorduras e óleos são as principais formas de armazenamento de energia em muitos organismos. Os fosfolipídeos e os esteróis são os principais elementos estruturais das membranas biológicas. Outros lipídeos, embora presentes em quantidades relativamente pequenas, desempenham papéis cruciais como cofatores enzimáticos, transportadores de elétrons, pigmentos fotossensíveis, âncoras hidrofóbicas para proteínas, chaperonas para auxiliar no enovelamento de proteínas de membrana, agentes emulsificantes no trato digestório, hormônios e mensageiros intracelulares. Este capítulo apresenta os lipídeos mais representativos de cada um dos tipos, organizados de acordo com suas funções, com

 

Capítulo 11 - Membranas biológicas e transporte

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11

Membranas biológicas e transporte

11.1 Composição e arquitetura das membranas  388

11.2 Dinâmica da membrana  397

11.3 Transporte de solutos através da membrana  405

A

primeira célula, provavelmente, passou a existir quando uma membrana se formou, envolvendo um pequeno volume de solução aquosa e separando-a do resto do universo. As membranas definem os limites externos das células e controlam o tráfego de moléculas por essa fronteira (Figura 11-1). Nas células eucarióticas, as membranas dividem o espaço interno em compartimentos que separam processos e componentes. Proteínas mergulhadas em membranas e proteínas associadas a membranas são responsáveis por sequências de reações fundamentais tanto para a conservação de energia como para a comunicação entre células. As atividades biológicas das membranas devem-se às suas propriedades físicas notáveis. As membranas são flexíveis, autosselantes e têm seletividade para permear solutos polares. A flexibilidade das membranas permite que as suas formas mudem e acompanhem o crescimento e o movimento da célula (como no movimento ameboide). Devido à capacidade de se romperem e se resselarem, duas membranas podem se fundir, como na exocitose, ou um compartimento envolvido por uma única membrana pode sofrer fissão e produzir dois compartimentos selados, como na endocitose ou na divisão celular, sem gerar grandes vazamentos através das superfícies celulares. Pelo fato de serem seletivamente permeáveis, as membranas retêm certos compostos e íons dentro das células e dentro de compartimentos celulares específicos e excluem outros.

 

Capítulo 12 - Biossinalização

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12

Biossinalização

12.1 Características gerais da transdução de sinal  437

12.2 Receptores associados a proteínas G e segundos mensageiros 440

12.3 GPCR na visão, olfação e gustação  456

12.4 Receptores tirosinas-cinase  461

12.5 Receptores guanilil-ciclase, cGMP e proteína-cinase G  466

12.6 Proteínas adaptadoras multivalentes e balsas lipídicas da membrana  467

12.7 Canais iônicos controlados por portões  471

12.8 Regulação da transcrição por receptores nucleares de hormônios 473

12.9 Sinalização em microrganismos e plantas  475

12.10 Regulação do ciclo celular por proteínas-cinase  476

12.11 Oncogenes, genes supressores de tumor e morte celular programada  481

A

capacidade que as células possuem de receber e responder a sinais que vêm de locais mais afastados do que a membrana plasmática é fundamental à vida.

De modo constante, as células bacterianas recebem mensagens de proteínas de membrana que atuam como receptores de informação, monitorando o meio externo em relação a pH, força osmótica, disponibilidade de alimento, oxigênio, luz e presença de substâncias químicas nocivas, de predadores ou de competidores pelo alimento.

 

Capítulo 13 - Bioenergética e metabolismo

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13

Bioenergética e metabolismo

13.1

13.2

13.3

13.4

Bioenergética e termodinâmica  495

Lógica química e reações bioquímicas comuns  501

Transferência de grupos fosforila e ATP  507

Reações biológicas de oxidação-redução  517

A

s células e os organismos vivos devem realizar trabalho para se manterem vivos, crescerem e se reproduzirem.

A capacidade de controlar a energia e direcioná-la para o trabalho biológico é uma propriedade fundamental de todos os organismos vivos. Essa capacidade deve ter sido adquirida muito cedo no curso da evolução celular. Os organismos modernos realizam uma incrível variedade de transduções da energia, conversões de uma forma de energia em outra. Eles usam a energia química dos combustíveis para sintetizar macromoléculas complexas, altamente organizadas, a partir de precursores simples. Também convertem a energia química dos combustíveis em gradientes de concentração e em gradientes elétricos, em movimento e calor e, em alguns organismos, como o vagalume e os peixes do fundo oceânico, em luz. Os organismos fotossintéticos transformam a energia luminosa em todas essas outras formas de energia.

 

Capítulo 14 - Glicólise, gliconeogênese e a via das pentoses-fosfato

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14

Glicólise, gliconeogênese e a via das pentoses-fosfato

14.1 Glicólise 534

14.2 Vias alimentadoras da glicólise  548

14.3 Destinos do piruvato em condições anaeróbicas: fermentação 552

14.4 Gliconeogênese 558

14.5 Oxidação da glicose pela via das pentoses-fosfato  565

A

glicose ocupa uma posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microrganismos. Ela é relativamente rica em energia potencial e, por isso,

é um bom combustível; a oxidação completa da glicose a dióxido de carbono e água ocorre com uma variação da energia livre padrão de 22.840 kJ/mol. Por meio do armazenamento da glicose na forma de polímero de alta massa molecular, como o amido e o glicogênio, a célula pode estocar grandes quantidades de unidades de hexose enquanto mantém a osmolaridade citosólica relativamente baixa. Quando a demanda de energia aumenta, a glicose pode ser liberada desses polímeros de armazenamento intracelulares e utilizada para produzir ATP de maneira aeróbica ou anaeróbica.

 

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