Cómo la cadena de transporte de electrones forma un gradiente de protones que a su vez impulsa la síntesis de ATP mediante quimiosmosis.

¿Para qué necesitamos el oxígeno?

Tú, al igual que muchos otros organismos, necesitas oxígeno para vivir. Si alguna vez has tratado de aguantar la respiración por mucho tiempo, ya sabrás que la falta de oxígeno puede hacer que te sientas mareado o incluso te desmayes, y una falta prolongada de oxígeno puede causar la muerte. Pero, ¿alguna vez te has preguntado por qué sucede eso o qué es exactamente lo que hace tu cuerpo con todo ese oxígeno?
Pues resulta que la razón por la que necesitas oxígeno es para que tus células puedan usar esta molécula durante la fosforilación oxidativa, la etapa final de la respiración celular. La fosforilación oxidativa se conforma de dos componentes estrechamente relacionados: la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis. En la cadena de transporte de electrones, los electrones se transportan de una molécula a otra, y la energía liberada cuando se transfieren los electrones se utiliza para formar un gradiente electroquímico. En la quimiosmosis, la energía almacenada en el gradiente se utiliza para sintetizar ATP.
Entonces, ¿qué tiene que ver el oxígeno con todo esto? El oxígeno se encuentra al final de la cadena de transporte de electrones, donde recibe electrones y recolecta protones para formar agua. Si el oxígeno no se encuentra ahí para recibir electrones (como cuando una persona no respira suficiente oxígeno, por ejemplo), la cadena de transporte de electrones se detendrá y la quimiosmosis no sintetizará más ATP. Sin el ATP suficiente, las células no podrán llevar a cabo las reacciones que necesitan para funcionar e incluso podrían morir después de un cierto periodo de tiempo.
En este artículo estudiaremos a profundidad la fosforilación oxidativa y veremos cómo es que proporciona la mayor parte de la energía química disponible (ATP) que usan las células de tu cuerpo.

Resumen: fosforilación oxidativa

Diagrama simplificado de la cadena de transporte de electrones. La cadena de transporte de electrones es una serie de proteínas incrustadas en la membrana interna de la mitocondria.
En la matriz, el NADH y el FADH2 depositan sus electrones en la cadena (en el primer y segundo complejos de la cadena, respectivamente).
El movimiento "cuesta abajo" de los electrones a través de la cadena causa que el primer, tercer y cuarto complejos bombeen protones hacia el espacio intermembranal.
Finalmente, los electrones llegan al oxígeno, el cual los acepta junto con protones y se forma agua.
El gradiente de protones producido por el bombeo de estos durante la cadena de transporte de electrones se utiliza para sintetizar ATP. Los protones fluyen en dirección de su gradiente de concentración hacia la matriz a través de la proteína de membrana ATP sintasa, la cual gira con el flujo (como una rueda hidráulica) y cataliza la conversión de ADP en ATP.
La cadena de transporte de electrones es una serie de proteínas y moléculas orgánicas que se encuentran en la membrana interior de la mitocondria. Los electrones pasan de un miembro de la cadena de transporte al siguiente en una serie de reacciones redox. La energía liberada en estas reacciones se captura como un gradiente de protones, el cual se utiliza a su vez para para formar ATP en un proceso llamado quimiosmosis. En conjunto, la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis constituyen la fosforilación oxidativa. Los pasos clave de este proceso, mostrados de manera simplificada en el diagrama anterior, incluyen:
  • Entrega de electrones por NADH y FADHstart subscript, 2, end subscript. Los acarreadores de electrones (NADH y FADHstart subscript, 2, end subscript) reducidos en otros pasos de la respiración celular transfieren sus electrones a las moléculas cercanas al inicio de la cadena de transporte. En el proceso se convierten en NADstart superscript, plus, end superscript y FAD, que pueden ser reutilizados en otros pasos de la respiración celular.
  • Transferencia de electrones y bombeo de protones. Conforme se mueven los electrones en la cadena, se desplazan de un nivel de energía más alto a uno más bajo, lo que libera energía. Parte de esta energía se utiliza para bombear iones de Hstart superscript, plus, end superscript, lo que los desplaza fuera desde la matriz hacia el espacio intermembranal. Este bombeo establece un gradiente electroquímico.
  • Separación de oxígeno molecular para formar agua. Al final de la cadena de transporte de electrones, los electrones se transfieren a una molécula de oxígeno, la cual se rompe a la mitad y recolecta Hstart superscript, plus, end superscript para formar agua.
  • Síntesis de ATP impulsada por un gradiente. Cuando fluyen por el gradiente de regreso hacia la matriz, los iones de Hstart superscript, plus, end superscript pasan a través de una enzima llamada ATP sintasa, la cual aprovecha el flujo de protones para sintetizar ATP.
En las siguientes secciones vamos a analizar con más detenimiento la cadena de transporte de electrones y la quimiosmosis.

La cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones es un conjunto de proteínas y moléculas orgánicas incrustadas en la membrana, la mayoría de las cuales se organizan en cuatro grandes complejos nombrados del I al IV. En eucariontes, muchas copias de estas moléculas se encuentran en la membrana mitocondrial interna. En procariontes, los componentes de la cadena de transporte de electrones están en la membrana plasmática.
Conforme los electrones viajan a través de la cadena, se desplazan de un mayor nivel de energía a uno inferior y se mueven de moléculas menos ávidas de electrones o otras más ávidas. En estas transferencias de electrones "cuesta abajo" se libera energía y varios de los complejos de proteína utilizan la energía liberada para bombear protones desde la matriz mitocondrial al espacio de intermembranal para formar un gradiente de protones.
Imagen basada en (y trazada parcialmente a partir de) un diagrama original de Ryan Gutierrez.
Imagen de la cadena de transporte de electrones. Todos los componentes de la cadena se encuentran incrustados o anclados a la membrana interna de la mitocondria. En la matriz, el NADH deposita los electrones en el complejo I y se transforma en NAD+ a la vez que libera un protón en la matriz. El FADH2, también en la matriz, deposita electrones en el complejo II y se transforma en FAD y libera 2 H+. Los electrones del complejo I y II se transportan al pequeño acarreador móvil Q. Q transporta los electrones al complejo III, el cual los envía al citocromo C. El citocromo C transporta los electrones al complejo IV, que dona los electrones al oxígeno de la matriz y se forma agua. Se necesitan dos electrones, 1/2 O2 y 2 H+ para formar una molécula de agua. Los complejos I, III y IV usan la energía liberada por los electrones que se mueven de un nivel más alto de energía a uno más bajo para bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal y generar un gradiente de protones.
Imagen modificada de "Fosforilación oxidativa: Figura 1", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0).
Todos los electrones que entran en la cadena de transporte provienen de moléculas de NADH y FADHstart subscript, 2, end subscript que se producen en fases más tempranas de la respiración celular: glucólisis, oxidación del piruvato y el ciclo del ácido cítrico.
  • El NADH es muy bueno donando electrones en reacciones redox (o sea que sus electrones están en un nivel de energía alto), por lo que puede transferir sus electrones directamente al complejo I y se transforma otra vez en NADstart superscript, plus, end superscript. El movimiento de los electrones a través del complejo I en una serie de reacciones redox libera energía, la cual el complejo usa para bombear protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal.
  • El FADHstart subscript, 2, end subscript no es tan bueno para donar electrones como el NADH (o sea que sus electrones se encuentran en un nivel de energía más bajo), por lo que no puede transferir sus electrones hacia el complejo I. En su lugar, introduce los electrones a la cadena de transporte a través del complejo II, el cual no bombea protones a través de la membrana.
Debido a esto, las moléculas de FADHstart subscript, 2, end subscript producen un menor bombeo de protones (y contribuyen menos al gradiente de protones) comparadas con las de NADH.
Complejo I. El NADH transfiere sus electrones al complejo I. El complejo I es bastante grande y la parte que recibe los electrones es una flavoproteína, es decir una proteína unida a una molécula orgánica llamada flavín mononucleótido (FMN). El FMN que recibe los electrones del NADH, es un grupo prostético, una molécula no proteica estrechamente unida a una proteína y que es necesaria para que esta funcione. El FMN traslada los electrones a otra proteína dentro del complejo I, una que tiene hierro y azufre unidos a su estructura (llamada proteína Fe-S), que a su vez transfiere los electrones a un pequeño acarreador móvil llamado ubiquinona (Q en el diagrama anterior).
Complejo II. De forma similar al NADH, el FADHstart subscript, 2, end subscript deposita sus electrones en la cadena de transporte de electrones, pero lo hace a través del complejo II y se salta completamente al complejo I. De hecho, el FADHstart subscript, 2, end subscript es una parte importante del complejo II, al igual que la enzima que lo reduce durante el ciclo del ácido cítrico; a diferencia de las otras enzimas del ciclo, esta se encuentra insertada en la membrana interna de la mitocondria. El FADHstart subscript, 2, end subscript transfiere sus electrones a las proteínas de hierro-azufre dentro del complejo II, las cuales transfieren los electrones a la ubiquinona (Q), el mismo acarreador móvil que recolecta los electrones del complejo I.
Después de los dos primeros complejos, los electrones del NADH y del FADstart subscript, 2, end subscript recorren exactamente la misma ruta. El complejo I y el II transfieren sus electrones a un acarreador pequeño y móvil de electrones llamado ubiquinona (Q) que se reduce y transforma en QHstart subscript, 2, end subscript, se transporta por la membrana y entrega sus electrones al complejo III. El movimiento de los electrones por el complejo III bombea más protones a través de la membrana y luego los electrones se transfieren a otro acarreador móvil llamado citocromo C (cit C). El cit C transporta los electrones hacia el complejo IV, donde se bombea el último lote de iones de Hstart superscript, plus, end superscript a través de la membrana. El complejo IV transfiere los electrones a Ostart subscript, 2, end subscript, que se parte en dos átomos de oxígeno y acepta protones de la matriz para formar agua. Se necesitan 4 electrones para reducir cada molécula de Ostart subscript, 2, end subscript, mientras que en el proceso se forman dos moléculas de agua.
Complejo III. Al igual que el complejo I, el complejo III tiene una proteína hierro-azufre (Fe-S), pero también tiene dos proteínas de otro tipo, conocidas como citocromos. Los citocromos son una familia de proteínas relacionadas que tienen grupos prostéticos hemo, los cuales contienen iones de hierro. (¿Has escuchado sobre la proteína hemoglobina, la que transporta oxígeno en la sangre? La hemoglobina también tiene grupos hemo, pero se unen al oxígeno en lugar de electrones). En el complejo III, los electrones pasan de un citocromo hacia una proteína hierro-azufre y luego a un segundo citocromo para finalmente ser transferidos fuera del complejo hacia un acarreador de electrones móvil (el citocromo C). Al igual que el complejo I, el complejo III bombea protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal y contribuye así al gradiente de concentración de Hstart superscript, plus, end superscript.
Complejo IV. El citocromo C entrega los electrones del complejo III al último complejo de la cadena de transporte de electrones, el complejo IV. Ahí, los electrones atraviesan otros dos citocromos más, el segundo de los cuales tiene un trabajo muy interesante: con ayuda de un ion de cobre cercano, transfiere los electrones al Ostart subscript, 2, end subscript, rompe el oxígeno y forma dos moléculas de agua. El mecanismo de esta transferencia es bastante genial y vale la pena que lo revisesstart superscript, 1, end superscript, pero básicamente el grupo hemo y el ion de cobre se unen con fuerza a la molécula de oxígeno y la mantienen en su lugar hasta que se reduce completamente (ha ganado los electrones y protones para convertirse en agua). Los protones utilizados para producir agua provienen de la matriz y contribuyen al gradiente de Hstart superscript, plus, end superscript; además, el complejo IV también bombea protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal.
En resumen, ¿para qué le sirve la cadena de transporte de electrones a la célula? Tiene dos funciones importantes:
  • Regenera los acarreadores de electrones. El NADH y el FADHstart subscript, 2, end subscript donan sus electrones a la cadena de transporte de electrones y se convierten otra vez en NADstart superscript, plus, end superscript y FAD. Esto es importante porque las formas oxidadas de los acarreadores de electrones se utilizan en la glucólisis y en el ciclo del ácido cítrico, así que deben estar disponibles para mantener estos procesos en funcionamiento.
  • Forma un gradiente de protones. La cadena de transporte genera un gradiente de protones a través de la membrana interna de la mitocondria: en el espacio intermembranal hay una concentración más alta de Hstart superscript, plus, end superscript y en la matriz hay una concentración más baja. Este gradiente es una forma de energía almacenada que, como veremos, se puede utilizar para generar ATP.

Quimiosmosis

Los complejos I, III y IV de la cadena de transporte de electrones son bombas de protones. Conforme los electrones se desplazan cuesta abajo energéticamente, los complejos capturan la energía liberada y la usan para bombear iones de Hstart superscript, plus, end superscript de la matriz hacia el espacio intermembranal. Este bombeo genera un gradiente electroquímico a través de la membrana interna de la mitocondria. En algunas ocasiones, el gradiente se llama fuerza protón-motriz y puedes pensar en ella como una forma de energía almacenada, algo así como una batería.
Como muchos otros iones, los protones no pueden atravesar directamente la bicapa de fosfolípidos de la membrana debido a que esta es muy hidrofóbica en su interior. Por el contrario, los iones Hstart superscript, plus, end superscript solo pueden moverse por su gradiente de concentración con la ayuda de proteínas de canal que forman túneles hidrofílicos a través de la membrana.
En la membrana interna de la mitocondria, los iones de Hstart superscript, plus, end superscript solamente cuentan con un canal disponible: una proteína transmembranal conocida como ATP sintasa. Conceptualmente, la ATP sintasa es muy parecida a las turbinas de un planta de energía hidroeléctrica. En vez de activarse con agua, se activa con el flujo de iones de Hstart superscript, plus, end superscript que se desplazan por su gradiente electroquímico. Este flujo causa que la ATP sintasa gire y catalice la adición de un fosfato a ADP, con lo que captura la energía del gradiente de protones en forma de ATP.
Diagrama general de la fosforilación oxidativa. La cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa están insertadas en la membrana interna de la mitocondria. El NADH y el FADH2 formados en el ciclo del ácido cítrico (en la matriz mitocondrial) introducen sus electrones en la cadena de transporte de electrones en los complejos I y II, respectivamente. Este paso vuelve a generar NAD+ y FAD (acarreadores en su forma oxidada) que pueden usarse en el ciclo del ácido cítrico. Los electrones fluyen a través de la cadena de transporte de electrones y generan el bombeo de protones desde la matriz hacia el espacio intermembranal. Al final, los electrones se entregan al oxígeno, el cual se combina con protones para formar agua. El gradiente de protones generado por el bombeo de protones durante la cadena de transporte de electrones es una forma de energía almacenada. Cuando los protones fluyen en el sentido de su gradiente de concentración (desde el espacio intermembranal hacia la matriz), su única ruta es a través de la ATP sintasa, una enzima incrustada en la membrana interna de la mitocondria. El flujo de protones a través de la ATP sintasa causa que esta gire (de forma muy similar a como el agua hace que gire una rueda hidráulica) y su movimiento cataliza la conversión de ADP y Pi en ATP.
Imagen modificada de "Fosforilación oxidativa: Figura 3", de Openstax College, Biología (CC BY 3.0).
El proceso en el que la energía del gradiente de protones se utiliza para generar ATP se llama quimiosmosis. De manera más general, la quimiosmosis se puede referir a cualquier proceso en el que la energía almacenada en un gradiente de protones se utiliza para hacer un trabajo. La quimiosmosis es notable por contribuir con más del 80% del ATP obtenido de la degradación de la glucosa en la respiración celular, pero no es exclusiva de esta última. Por ejemplo, la quimiosmosis también es importante en las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis.
¿Qué le sucedería a la energía almacenada en el gradiente de protones si no se utilizara para sintetizar ATP o hacer otro trabajo celular? Se liberaría como calor; curiosamente, algunos tipos de células utilizan deliberadamente el gradiente de protones para generar calor en lugar de sintetizar ATP. Esto podría parecer un desperdicio, pero es una estrategia importante para animales que necesitan mantenerse calientes. Por ejemplo, los mamíferos que hibernan (como los osos) tienen células especializadas conocidas como adipocitos marrones. Los adipocitos marrones producen proteínas desacopladoras que se insertan en la membrana interna de la mitocondria. Estas proteínas simplemente son canales que permiten el paso de los protones desde el espacio intermembranal hacia la matriz sin atravesar la ATP sintasa. Al proveer una ruta alterna para que los protones fluyan de regreso a la matriz, las proteínas desacopladoras permiten que la energía del gradiente se disipe como calor.

Rendimiento de ATP

¿Cuántas moléculas de ATP obtenemos por cada glucosa en la respiración celular? Si consultas diferentes libros, o le preguntas a diferentes profesores, probablemente obtendrás respuestas ligeramente diferentes. Sin embargo, las fuentes más actuales estiman que el rendimiento máximo de ATP obtenido por molécula de glucosa se encuentra entre 30-32 moléculas de ATPstart superscript, 2, comma, 3, comma, 4, end superscript. Este intervalo es más bajo que el de estimaciones previas debido a que da cuenta de la importación de ADP y la exportación de ATP de la mitocondria.
Cuando autores y profesores citan diferentes números de moléculas de ATP por glucosa, suele ser porque hacen diferentes consideraciones sobre los procesos que intervienen en el rendimiento total de ATP. Ni la cantidad de 38 ATP ni la de 30-32 son incorrectas. Simplemente están midiendo cosas ligeramente diferentes.
  • El cálculo de 38 moléculas de ATP supone que cada protón bombeado en la cadena de transporte como resultado de la recolección de electrones de la glucosa se utiliza para sintetizar ATP. En otras palabras, no se utiliza nada de la energía del gradiente de protones para impulsar otros procesos de transporte (el cálculo de 38 moléculas de ATP también supone que se utiliza un mecanismo eficiente para transportar los electrones del NADH obtenido en la glucólisis a la cadena de transporte de electrones. Con un transporte ineficiente, la cantidad máxima en este escenario sería de 36 moléculas de ATP).
  • El cálculo de 30-32 moléculas de ATP considera el hecho de que, en una célula real, no toda la energía del gradiente de protones se destina a la producción de ATP. Por el contrario, parte de esta energía se debe usar para transportar moléculas dentro y fuera de la matriz mitocondrial. Por ejemplo, el ADP se debe transportar hacia la matriz para que pueda convertirse en ATP y, por su parte, el ATP se debe transportar al exterior de la mitocondria para que la célula pueda utilizarlo. El cálculo de 30-32 moléculas de ATP toma en cuenta el transporte de ATP y ADP, que utiliza energía del gradiente de protones (lo que implica que hay menos energía disponible para impulsar la síntesis de ATP y, por consiguiente, menos ATP)start superscript, 5, comma, 6, end superscript.
En células reales, el rendimiento de ATP por molécula de glucosa probablemente sea menor que 30-32 ATP. Las células con frecuencia usan el gradiente de protones para transportar otras moléculas (además del ATP y el ADP) y parte de la energía del gradiente de protones se puede perder si la membrana interna de la mitocondria "chorrea" protones.
¿De dónde sale este cálculo de 30-32 moléculas de ATP? En la glucólisis se generan dos moléculas netas de ATP y en el ciclo del ácido cítrico, otras dos moléculas de ATP (o GTP, que es equivalente desde el punto de vista energético). Fuera de estos cuatro, el resto de las moléculas de ATP se generan en la fosforilación oxidativa. Según los indicios obtenidos luego de un arduo trabajo experimental, se necesita que fluyan cuatro iones de Hstart superscript, plus, end superscript hacia la matriz a través de la ATP sintasa para producir la síntesis de una molécula de ATP. Cuando los electrones del NADH se mueven a través de la cadena de transporte se bombean 10 iones de Hstart superscript, plus, end superscript desde la matriz hacia el espacio intermembranal, por lo que cada NADH resulta en 2.5 moléculas de ATP, aproximadamente. Los electrones del FADHstart subscript, 2, end subscript, que se incorporan a la cadena en una etapa posterior, impulsan el bombeo de solo 6 Hstart superscript, plus, end superscript, lo que lleva a la producción de casi 1.5 ATP.
Con esta información, podemos hacer un pequeño inventario de la degradación de una molécula de glucosa:
EtapaProductos directos (netos)Rendimiento final de ATP (neto)
Glucólisis2 ATP2 ATP
2 NADH3-5 ATP
Oxidación del piruvato2 NADH5 ATP
Ciclo del ácido cítrico2 ATP/GTP2 ATP
6 NADH15 ATP
2 FADHstart subscript, 2, end subscript3 ATP
Total30-32 ATP
Un número en esta tabla todavía no es preciso: el rendimiento de ATP del NADH producido en la glucólisis. Esto es porque la glucólisis ocurre en el citosol y el NADH no puede cruzar la membrana mitocondrial interna para entregar sus electrones al complejo I. Por el contrario, debe pasar sus electrones a un "sistema de transporte" molecular que los entrega, después de una serie de pasos, a la cadena de transporte de electrones.
  • Algunas células de tu cuerpo tienen un sistema de transporte que lleva electrones a la cadena de transporte mediante FADHstart subscript, 2, end subscript. En este caso, solo se producen 3 ATP por los dos NADH de la glucólisis.
  • Otras células de tu cuerpo tienen un sistema de transporte que lleva los electrones vía NADH, lo que resulta en la producción de 5 ATP.
En bacterias, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico ocurren en el citosol, por lo que no es necesario el transporte adicional y se producen 5 ATP.
30-32 moléculas de ATP por la degradación de una molécula de glucosa es un estimado optimista y el rendimiento real puede ser menor. Por ejemplo, algunos intermediarios de la respiración celular pueden ser desviados por la célula y usarse en otras vías biosintéticas, lo que reduce el número de moléculas de ATP producidas. La respiración celular es un nexo de muchas vías metabólicas diferentes de la célula que forma una red que es más grande que las vías de la degradación de glucosa.

Autoevaluación

  1. El cianuro funciona como un veneno porque inhibe el complejo IV y evita que transporte electrones. ¿Qué efecto tendría una intoxicación con cianuro en 1) la cadena de transporte de electrones y 2) el gradiente de protones a través de la membrana interna de la mitocondria?
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    Si el complejo IV ya no pudiera transferir electrones (si se bloqueara), el resto de la cadena de transporte de electrones se frenaría rápidamente y se detendría. Si los electrones ya no se mueven a través de la cadena de transporte de electrones, los protones ya no podrían ser bombeados fuera desde la matriz hacia el espacio intermembranal. Conforme los protones que ya se encuentran en el espacio intermembranal fluyen en el sentido de su gradiente, hacia la matriz, estos no se reemplazan y el gradiente se debilita (y al final desaparece).
    Preguntas adaptadas de OpenStax, Biología.
  2. El dinitrofenol (DNP) es un agente químico que actúa como desacoplador que provoca que se filtren protones en la membrana interna de la mitocondria. Hasta 1938 se utilizó el DNP como un fármaco para bajar de peso. ¿Qué efecto tendría el DNP en la cantidad de ATP producida en la respiración celular? ¿Por qué crees que lo retiraron del mercado?
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    El DNP permite que los protones se desplacen por su gradiente y regresen a la matriz mitocondrial sin pasar por la ATP sintasa. Por lo tanto, reduce la producción de ATP en la respiración celular. La energía del gradiente se disipa en forma de calor, lo que aumenta la temperatura del cuerpo. El DNP se retiró del mercado debido a que causaba muertes por hipertermia (temperatura corporal gravemente elevada) y también porque se relacionaba con cataratas y pérdida de la visión.
    Preguntas adaptadas de OpenStax, Biología.


Créditos

Este artículo es una adaptación de “Fosforilación oxidativa”, de OpenStax, Biología (CC BY 3.0). Descarga sin costo el artículo original en http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.85:37/Oxidative-Phosphorylation.
El artículo modificado está autorizado bajo una licencia CC BY-NC-SA 4.0.

Referencias citadas:

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Referencias complementarias:

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