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Unidad 1

Fisiología celular

Fisiología celular – Unidad 1

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Las células y el medio La membrana plasmática es la parte de la célula que la separa de su entorno y regula la entrada y salida de ciertas sustancias. Además las sustancias no la pueden atravesar, salvo que la célula realice un transporte que posibilite ese pasaje. Esta capacidad de la membrana se denomina selectividad, permitiendo la entrada de los elementos indispensables para el funcionamiento, como nutrientes y la salida de residuos como el dióxido de carbono. En los organismos unicelulares (bacterias, protistas, levaduras), la membrana plasmática constituye su límite y su vía de comunicación con el medio externo. Distintos receptores de sus membranas captan estímulos y luego la célula procesa la información y genera una respuesta. En los organismos pluricelulares, cada célula del cuerpo funciona del mismo modo, solo que el medio externo de cada célula individual es el medio interno del organismo. Este, a su vez, interactúa con su ambiente, lo cual requiere que todas sus células funcionen de forma coordinada: la comunicación entre las células y los mecanismos de control y de regulación son mucho más complejos, como lo hemos visto la unidad anterior.

Características de las células Aunque existen diferentes clases de células (eucariotas y procariotas, animales y vegetales), todas tienen algunas características comunes. Veamos cuáles son:

Tienen la capacidad de reproducirse por sí solas. Esto es así porque en ellas se encuentra el ADN, donde se guarda la información genética que se transmite de una célula madre a una hija.

¿Recuerdas cuál es la diferencia entre una célula eucariota y procariota con respecto a esto?

En el interior celular o citoplasma se produce una gran cantidad de reacciones químicas o procesos metabólicos que aseguran la supervivencia de cada célula.

Están rodeadas por una membrana plasmática que las limita y separa del medio que las rodea. Pero atención, no las mantiene aisladas. A través de esta membrana tiene lugar el intercambio de materiales con el entorno y la percepción de estímulos, como veremos a continuación.

Cada célula puede pensarse como un sistema, ya que está formada por un conjunto de componentes

organizados y relacionados entre sí. Esta relación asegura el funcionamiento celular. Pero además se considera un sistema abierto. ¿Por qué? Porque intercambia en forma permanente materia y energía con el medio.

Antes de continuar indica en el esquema algunas de las partes de la célula:


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La membrana plasmática La membrana celular o plasmática no es estática ni rígida. Por el contrario, se mueve en forma permanente. Por eso se dice que responde al modelo de mosaico fluido postulado por S. J. Singer y G. L.Nicholson en 1972. La "base" de esta membrana son los lípidos, en su mayoría fosfolípidos. Estas pequeñas moléculas tienen una parte que siente atracción por el agua (hidrofílica) y otra que rechaza el agua (hidrofóbica).

Así están organizados formando una doble capa, con las regiones hidrofóbicas en contacto y las hidrofílicas hacia afuera. En la doble capa lipídica se insertan grandes moléculas, las proteínas. Algunas quedan incluidas totalmente, otras la atraviesan de lado a lado y otras están apoyadas en la superficie (interna o externa). También tiene algunos hidratos de carbono. Desde el punto de vista funcional, la membrana plasmática posee varias características importantes.

La primera que mencionaremos es la permeabilidad selectiva. ¿Qué significa esto? Mientras ciertas moléculas o iones (partículas cargadas eléctricamente) pueden atravesar la membrana libremente, otras no pueden hacerla. De acuerdo con el tamaño de las moléculas y la dirección en la que se conduzcan las sustancias, existen dos tipos básicos de transporte a través de la membrana: el pasivo y el activo (veremos de qué se trata enseguida).

La segunda característica de la membrana es que, en muchos casos, resulta el lugar donde se encuentran los receptores encargados de identificar las señales del exterior.

Transporte pasivo Las partículas de tamaño pequeño se mueven en forma espontánea de las zonas de mayor concentración a las de menor concentración. Este tipo de transporte permite que las células incorporen y también eliminen varias sustancias sin gasto de energía. Hay dos lugares de la membrana por los que es posible que pasen las partículas:

1. Los gases, como el oxígeno o el dióxido de carbono, pasarán libremente por la bicapa lipídica. A esto se lo llama difusión

¿Qué sucede si tiras una gota de tinta en un vaso de agua? Intenta una explicación para

este fenómeno.


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simple. Cuando la sustancia que atraviesa la membrana es el agua, el proceso se denomina ósmosis. 2. Los iones como el calcio y algunos azúcares sencillos, como la glucosa, y también los aminoácidos

ingresarán "con la ayuda" de proteínas específicas denominadas transportadoras; el transporte que realizan recibe el nombre de difusión facilitada.

Transporte activo A veces las células deben captar partículas del medio que se encuentran en una concentración menor que en el interior de la célula o mantener fuera de ellas sustancias en concentraciones mayores que en el interior. En ese caso se realiza transporte activo, con gasto de energía y en contra de un gradiente de concentración, pasando de una zona de menor a una de mayor concentración. Este proceso se realiza siempre mediante una proteína transportadora. El ejemplo más común de transporte activo lo constituye la denominada bomba de sodio-potasio, que permite mantener dentro de la célula bajas concentraciones de iones sodio y altas concentraciones de iones potasio. Esto genera una diferencia de potencial eléctrico (ver ilustración inferior) que se aprovecha para transportar activamente otras sustancias, como la glucosa. Además, esta diferencia de potencial se relaciona directamente con la irritabilidad celular, como veremos enseguida. Un tipo especial de transporte activo es el transporte en masa, y se da cuando la célula tiene que incorporar partículas de gran tamaño (macromoléculas, virus, bacterias). Este transporte se realiza mediante un mecanismo basado en la formación de una vesícula en cuyo interior se sitúan las partículas que se van a incorporar. Este proceso se denomina endocitosis.

Los receptores celulares Los receptores celulares son sustancias que participan en el proceso de comunicación de las células con el exterior, en el que se incluyen otras células. Tienen la capacidad de reconocer un estímulo y generar una respuesta dentro de la célula. La conversión del estímulo en una respuesta celular específica se denomina transducción de señales. Algunos receptores celulares se encuentran en la membrana plasmática son los llamados receptores de membrana, proteínas integrales que captan sustancias (estímulos) que llegan hasta la superficie celular y desencadenan respuestas en forma de reacciones químicas en el interior de la célula, función que pueden desarrollar porque están en contacto tanto con el exterior como con el interior celular.

Receptor intracelular Otros receptores celulares se encuentran sólo en el interior de la célula y se denominan receptores intracelulares. Estos receptores requieren que la sustancia que porta el mensaje (estímulo) presente la capacidad de atravesar la membrana plasmática; es decir, que tengan afinidad con las colas hidrofóbicas de los lípidos de la doble capa, ya que la membrana celular no deja pasar moléculas hidrofílicas, como los aminoácidos y los hidratos de carbono.


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Los receptores de membrana De la misma manera que no prestamos atención a todos los sonidos del ambiente, sino solo a algunos, la célula no incorpora a través de la membrana todos los materiales disponibles en su entorno ni responde a todas las señales que aparecen a su alrededor. Para responder, en la membrana celular (y en otras partes de la célula) existen receptores específicos adonde puede unirse la señal. Esos receptores, proteínas que suelen estar incluidas completamente en la membrana, son la clave de la percepción y respuesta celular, como veremos enseguida.

Tipos de receptores de membrana Los receptores de membrana se extienden por todo el espesor de la membrana plasmática, presentan un extremo externo, hacia el medio extracelular, y otro interno, hacia el medio intracelular. Cuando el extremo externo reconoce una molécula señal, el receptor cambia su configuración y transmite el mensaje hacia el medio intracelular, de este modo, la molécula de señalización no ingresa a la célula. Si bien un único receptor puede transducir alguna señal, es más común que la molécula señal induzca la asociación de varios receptores. Estos receptores pueden desencadenar cambios en la célula de maneras muy diversas. Algunos abren un pequeño canal en la membrana plasmática al contactar su molécula señal; ese canal deja pasar sólo ciertas sustancias con carga eléctrica, es decir, ciertos iones. Estos receptores se denominan receptores asociados a canales iónicos. En los receptores asociados a una enzima, el receptor mismo es una enzima (proteína que acelera la velocidad de las reacciones químicas), por lo cual presenta dos sitios activos, uno que reconoce la molécula de señalización y otro que interviene en una reacción química en el interior celular. Otra posibilidad es que el receptor esté asociado a otra proteína, siendo esta la enzima. Algunos receptores son proteínas constituidas por subunidades; una subunidad proteica es una molécula proteica que tiene la capacidad de asociarse íntimamente con otras para formar un complejo proteico. Muchas veces, estos complejos proteicos están compuestos por cientos de subunidades. El tipo de receptor denominado receptor asociado a la proteína es un receptor ligado a una proteína G, que está compuesta por tres subunidades proteicas, llamadas alfa, beta y gamma. Cuando es estimulado por una molécula señal, la proteína G libera su subunidad alfa, la que actúa sobre proteínas efectoras intracelulares que generan cambios en los procesos de la célula.

Especificidad de la señal-receptor Las uniones de las moléculas de señalización y los receptores celulares presentan especificidad: las moléculas señales sólo se unen e inducen cambios en las células que presenten receptores específicos que las pueden reconocer. En su unión, el receptor no modifica la molécula señal, pero genera respuestas en la célula. Los modelos que explican la especificidad de las uniones de las enzimas con sus sustratos (las moléculas sobre las que actúan) pueden aplicarse a la especificidad de las uniones entre los receptores celulares y las moléculas señales. En la actualidad, gracias a los avances tecnológicos, sabemos que la enzima se une al sustrato en un sitio específico, llamado sitio activo. Sin embargo, ya en 1894, el químico alemán Hermann Emil Fischer sostuvo la especificidad de las enzimas y planteó que se debía a que la estructura geométrica de la molécula de sustrato era complementaria a la del sitio activo de la enzima. Esto implica que un leve cambio en la forma del sustrato hace que la enzima no realice su función; de ahí su especificidad de acción. Ambas moléculas encajan perfectamente, como una llave en su cerradura; por lo que este modelo se denominó de llave-cerradura. En 1958, el bioquímico estadounidense Daniel Koshland propuso una modificación en el modelo de llave-cerradura. Afirmó que las enzimas no eran rígidas sino flexibles, y que el sitio activo podía cambiar su conformación estructural en su interacción con el sustrato. En algunos casos, el sustrato también podía ajustar su forma y encajar en el sitio activo de la enzima. Esta explicación se conoce como modelo del encaje inducido. En ambos modelos, el sitio activo de la enzima permite su unión con el sustrato y, sea por un encaje perfecto (llave-cerradura) o más flexible (encaje inducido), esa unión es específica. Del mismo modo, los receptores sensoriales se unen a las moléculas señales en sitios activos específicos.


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La percepción de señales y la respuesta Las señales capaces de provocar en la célula algún tipo de respuesta son de diferente naturaleza: térmicas, eléctricas, gravitatorias, etcétera, pero en su mayoría son químicas. Las células cuentan con receptores ubicados en la membrana citoplasmática para percibir los mensajes que les llegan desde el exterior, aunque también hay receptores en el interior de la célula. Los receptores de membrana son generalmente glucoproteínas transmembranales o glucolípidos. Poseen dos partes diferenciadas: la encargada de percibir la señal, que se ubica en la parte exterior de la membrana, y una porción intracelular, capaz de realizar modificaciones en dicha célula. Cuando la señal se une al receptor, este activa su porción intracelular e informa a la célula que debe ejecutar determinada respuesta:

El modelo llave-cerradura Los receptores de membrana son específicos, es decir que no cualquier receptor puede captar cualquier señal. La célula que posee dicho receptor se llama célula diana. La especificidad es un aspecto fundamental: garantiza que la señal sea percibida por las células indicadas y no por otras. Un modelo útil para interpretar el reconocimiento entre el receptor y la señal es el modelo llave-cerradura. Las moléculas señal en general son hidrofílicas, por lo que no pueden atravesar la membrana citoplasmática conformada por lípidos hidrofóbicos y por ello necesitan de un receptor de superficie celular que genera una señal intracelular en la célula diana. Sin embargo, algunas moléculas señal son hidrofóbicas (como muchas hormonas), por lo que pueden difundir a través de la membrana citoplasmática y unirse a receptores específicos localizados en el citoplasma o bien en el núcleo.

La transducción: de la señal a la respuesta El proceso que ocurre en un receptor al recibir una señal puede dividirse en tres etapas: • Recepción: sucede cuando se produce la unión de una molécula señal proveniente del exterior de la célula a un receptor extracelular o intracelular de la célula diana. Este reconocimiento a menudo implica el cambio en la forma de la proteína de la membrana receptora que le permite actuar sobre otra molécula de la membrana, que es la que finalmente se activa. • Transducción de la señal: en esta etapa, la señal "se traduce" en otro tipo de señal para que dentro de la célula se pueda "comprender" el mensaje y responder. Es el proceso que media entre la recepción y la ejecución de la respuesta. Es generalmente una vía de múltiples pasos.


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• Respuesta: las respuestas de las células ante los estímulos son sumamente variadas; por ejemplo, la producción de sustancias ,la división, el crecimiento, la diferenciación en un tipo celular determinado, la activación de genes específicos en el núcleo, la emisión de luz (bioluminiscencia), la formación de paredes protectoras (enquistamiento), entre muchas otras cosas. Todo este proceso de tres etapas, conocido como señalización celular, asegura que las actividades celulares se realicen en los lugares precisos, en el momento apropiado y en coordinación con el resto de los millones de otras células que conforman un organismo pluricelular.

Tipos de respuestas a las señales Las respuestas de las células a las señales pueden ser muy diversas y a menudo implican procesos metabólicos, es decir, reacciones químicas en el interior de la célula, pero también pueden llevar a cabo otros tipos.de comportamientos:

Secreción de sustancias: fabricadas por la célula diana. Estas sustancias son empaquetadas por el aparato de Golgi en pequeñas vesículas y segregadas en respuesta a la señal adecuada, mediante exocitosis.

Contracción: especialmente de las células musculares, pues en su citoplasma contienen fibrillas adaptadas para ello.

Desplazamiento de células libres: los organismos unicelulares y ciertas células libres de los pluricelulares, como los leucocitos (glóbulos blancos del sistema de defensa), se pueden desplazar activamente en respuesta a diversas señales, mediante pseudópodos, cilias o flagelos.

Proliferación y diferenciación celular: el ciclo celular y los procesos de crecimiento, multiplicación y diferenciación de las células son respuestas a determinadas señales, por complejos mecanismos de control.

Apoptosis o muerte celular programada: la muerte celular, si bien es un proceso programado dentro del ciclo de vida celular, también puede estar sujeta a señales externas que se traducen en cambios metabólicos tendientes a desactivar la maquinaria celular.

La comunicación celular Hemos visto qué sucede cuando una señal llega hasta una célula diana, pero ¿cómo y desde dónde llegan las señales hasta ellas? Ninguna célula vive aislada. El estado pluricelular requiere que las células estén comunicadas mediante un complejo sistema de señales, principalmente químicas, que permita coordinar su actividad como un todo en beneficio del organismo. Esta comunicación celular consiste en un


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proceso por el cual las células transmiten información para promover o modificar respuestas celulares en otras células. Los organismos unicelulares también se comunican, sobre todo aquellos que se agrupan para formar colonias, pero en los organismos pluricelulares llega a ser indispensable para lograr la homeostasis. El sistema de comunicación o señalización celular está constituido por los siguientes elementos: • Una célula señal o emisora de señales.

• La molécula señal o mensajero químico.

• La célula diana o receptora.

Mecanismos de comunicación celular Las células tienen diferentes formas de comunicarse: Por contacto directo: Las células vecinas poseen la capacidad de enviarse señales, debido a que entre ellas existen regiones especiales llamadas uniones intercelulares que posibilitan el intercambio rápido de sustancias. Estas sustancias, en algunos casos, no necesitan atravesar las membranas plasmáticas, ya que los citoplasmas de las células adyacentes están en contacto directo. Estas uniones permiten, además, que las células de determinado tejido permanezcan adheridas. Mediante moléculas unidas a la membrana: Las células animales pueden intercambiar información mediante moléculas de la superficie de la membrana citoplasmática: la molécula señal de la célula transmisora se une al receptor específico de la célula diana. Este tipo de señalización se llama reconocimiento celular y, como se ha visto, es un mecanismo importante en la respuesta inmunológica.

Mediante moléculas secretadas El tipo de comunicación celular más frecuente es aquel en que las moléculas señal son secretadas. Según la ubicación de la célula señal y la célula diana, algunos mensajes recorren distancias cortas, como ocurre en la comunicación local; mientras que otros viajan distancias más largas y constituyen la señalización a distancia. Hay tres tipos de comunicación celular mediante moléculas secretadas: • Comunicación paracrina: la célula señal segrega el mensaje al espacio intercelular, bañado por el líquido extracelular, para ser captada de inmediato por los receptores correspondientes de las células vecinas. • Comunicación sináptica: las células del sistema nervioso son las neuronas. A través de ellas, viajan impulsos eléctricos que desencadenan la liberación de sustancias químicas llamadas neurotransmisores. Estos neurotransmisores son señales que son secretadas al espacio intercelular para estimular a la célula diana (en general se trata de otras neuronas, aunque las células receptoras pueden ser también de otro tipo). • Comunicación endocrina: ciertas células señal especializadas segregan un tipo especial de sustancias llamadas hormonas. Estas viajan por la sangre en los animales o por los vasos conductores en los vegetales, hasta llegar a las células diana, lejos del lugar donde fueron segregadas. En los animales complejos, las células que segregan las hormonas se suelen agrupar en órganos llamados glándulas.


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Mediante uniones intercelulares Un tipo de comunicación celular se establece a través de las llamadas uniones intercelulares, en las que intervienen proteínas de la membrana plasmática. Una unión intercelular es una región reducida de la membrana plasmática que se ha especializado para establecer el contacto entre células. Las uniones intercelulares son esenciales para el desarrollo y el funcionamiento normal de los organismos pluricelulares, pues, además de la comunicación entre las células, ayudan a mantenerlas unidas. Existen tres tipos de uniones en las células animales:

1. Uniones estrechas: se encuentran en la parte superior de las células de los tejidos que tapizan el interior del cuerpo y en el tejido muscular del corazón. Estas uniones son tan fuertes y estrechas que prácticamente no dejan espacio intercelular entre las membranas plasmáticas de las células adyacentes, y llegan a formar en algunos casos una especie de "cinturón de proteínas" que rodea todo el perímetro celular. En los epitelios que tapizan el interior del tubo digestivo, las células están tan presionadas unas contra otras que impiden que las sustancias que pasan por este tubo penetren en el organismo por los espacios intercelulares. Esto obliga a las sustancias a ser captadas selectivamente por parte de las células epiteliales.

2. Desmosomas: este tipo de unión se encuentra en los tejidos que están sometidos a intensos estiramientos, como la piel, ciertos músculos y el cuello del útero que se dilata durante el parto. Se trata de "remaches de proteínas", es decir, "piezas de sujeción" en ciertos puntos de la membrana plasmática.

3. Uniones en hendidura: son las más efectivas en la comunicación entre las células. Se trata de poros en la membrana rodeados por proteínas a través de los cuales se forman "canales de citoplasma" entre células adyacentes por los que intercambian sustancias. Las células vegetales están rodeadas de una pared celular rígida, ¿cómo es posible que se establezcan uniones y puedan comunicarse entre células vecinas rápidamente? Estas paredes poseen finos poros a través de los cuales se establecen canales de citoplasma por donde circulan sustancias. A dichas uniones se las llama plasmodesmos.


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Transporte activo Transporte pasivo

1. ESTABLEZCA CON UNA CRUZ ( X ) LAS FUNCIONES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA (PUEDEN EXISTIR FUNCIONES QUE NO CORRESPONDAN).

a) SÍNTESIS DE PROTEÍNAS

b) ENTRADA Y SALIDA DE IONES – COMPUESTOS

ORGÁNICOS

c) RECONOCIMIENTO DE PARTÍCULAS

d) FAGOCITOSIS / PINOCITOSIS

e) SÍNTESIS DE ATP

f) BARRERA SEMIPERMEABLE

g) SÍNTESIS DE ADN

2. INDICA CUÁLES SON LAS PARTES DE LA MEMBRANA PLASMÁTICA

3. EXPLIQUE POR QUÉ ESTE ESQUEMA RECIBE EL NOMBRE DE MOSAICO FLUIDO.

4. ¿CUÁL ES LA DIFERENCIA ENTRE FAGOCITOSIS Y PINOCITOSIS?

5. ARMA UN CUADRO COMPARANDO LOS PROCESOS QUE OCURREN TANTO EN EL TRANSPORTE ACTIVO COMO EN EL TRANSPORTE PASIVO.


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6. REALIZA UNA LÁMINA EN EL QUE EXPLIQUES LOS MECANISMOS DE TRANSPORTE A TRAVÉS DE LA MEMBRANA. (DIFUSIÓN SIMPLE, OSMOSIS, DIFUSIÓN FACILITADA Y TRANSPORTE ACTIVO).

7. ¿CUÁLES SON LOS COMPONENTES QUE LE CONFIEREN FLUIDEZ A LA MEMBRANA? ¿POR QUÉ ES TAN IMPORTANTE QUE ESTA SEA FLUIDA?

8. DIFERENCIA ENTRE LA OSMOSIS Y LA BOMBA DE SODIO-POTASIO. ¿CUAL REQUIERE UN GASTO DE ENERGÍA Y POR QUÉ?

9. LEE EL TEXTO Y COMPLETA LOS ESPACIOS VACÍOS SEGÚN CORRESPONDA.

10.UNE CON FLECHAS LOS SIGNIFICADOS SEGÚN CORRESPONDA.


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11.INDICA SI ES VERDADERO O FALSO. JUSTIFIQUE LA RESPUESTA DE NO SER

VERDADERA.

La molécula señal y los receptores celulares no son específicos.

El receptor no modifica la señal.

El sitio activo es el lugar donde se mueve la célula.

El modelo de llave y cerradura explica como se une el sustrato (señal) en el sitio activo.

En el modelo de encaje inducido la enzima se mantiene rígida.

12. ¿A QUÉ DENOMINAMOS CÉLULA DIANA? 13.¿POR QUÉ SE UTILIZA EL MODELO DE LLAVE CERRADURA PARA EXPLICAR EL

RECONOCIMIENTO ENTRE RECEPTOR Y SEÑAL? 14.MARCA LA DIFERENCIA ENTRE EL MODELO “LLAVE-CERRADURA” Y EL DE

“ENCAJE INDUCIDO” 15.EXPLICA LAS DISTINTAS ETAPAS QUE CONFORMAN EL PROCESO DE

TRANSDUCCIÓN DE SEÑAL.

16.

EL CANCER Y LA COMUNICACIÓN CELULAR.

RECEPEPTORES CELULARES Y VENENOS.

ENFERMEDAD AUTOINMUNE (LUPUS).

CÉLULAS MADRES Y LA DIFERENCIACIÓN CELULAR.

17.REALIZA UN CUADRO COMPARATIVO DESCRIBIENDO LOS DISTINTOS TIPOS DE RESPUESTAS POR PARTE DE LA CÉLULA. EN CADA UNO REALIZA EL DIBUJO CORRESPONDIENTE.

18. IDENTIFICA LAS PARTES QUE PARTICIPAN EN LA COMUNICACIÓN CELULAR. DESCRIBE BREVEMENTE QUE FUNCIÓN TIENE CADA UNA.

Elige un tema de los que se presentan en la actividad, prepara el contenido para exponerlos en clases a todos tus compañeros.

El trabajo es de carácter evaluativo. Con una nota importante para el trimestre

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