Enzimas: Histórico, Estrutura e Classificação

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ENZIMAS
 
2
ENZIMAS - HISTÓRICO
Catálise biológica → início séc. XIX
 digestão da carne: estômago;
 digestão do amido: saliva.
Década de 50
 Louis Pasteur - concluiu que a fermentação do 
açúcar em álcool pela levedura era catalisada por 
“fermentos” = enzimas.
Eduard Buchner (1897)
 extratos de levedo podiam fermentar o açúcar 
até álcool;
 enzimas funcionavam mesmo quando removidas 
da célula viva.
 
3
ENZIMAS - HISTÓRICO
James Sumner (1926)
 Isolou e cristalizou a urease;
 Cristais eram de proteínas;
 Postulou que “todas as enzimas são proteínas”.
John Northrop (década 30)
 Cristalizou a pepsina e a tripsina bovinas;
Década de 50 – séc. XX
 75 enzimas → isoladas e cristalizadas;
 Ficou evidenciado caráter protéico.
Atualmente + 2000 enzimas são conhecidas.
 
4
ENZIMAS 
Definição:
Catalisadores biológicos;
Longas cadeias de pequenas moléculas 
chamadas aminoácidos.
Função:
Viabilizar a atividade das células, quebrando 
moléculas ou juntando-as para formar novos 
compostos.
Com exceção de um pequeno grupo de 
moléculas de RNA com propriedades catalíticas, 
chamadas de RIBOZIMAS, todas as enzimas são 
PROTEÍNAS.
Aminoácidos:
H
R C* COOH
NH2
 
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ENZIMAS – PROTEÍNA
Classificação proteínas
Proteínas globulares Proteínas fibrosas
 Estrutura das proteínas
Primaria Secundaria Terciária Quaternária
 ENZIMAS 
Proteínas globulares
 Estrutura terciária
Proteínas com alto peso 
molecular, maioria entre 15 a 
1000 Kilo Daltons Unit (KD)
OBS: 1 Dalton = 1 unidade de 
peso molecular (AMU)
 
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ENZIMAS – ESTRUTURA
RNARNA
Estrutura Estrutura 
EnzimáticaEnzimática
RibozimasRibozimas
Se covalente
Apoenzima ou
Apoproteína
Grupo Prostético
Holoenzima
Cofator
Coenzima
Proteína
Pode ser:
• íon inorgânico
• molécula orgânica
 
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ENZIMAS – CARACTERÍSTICAS GERAIS
Apresentam alto grau de especificidade;
São produtos naturais biológicos;
Reações baratas e seguras;
São altamente eficientes, acelerando a 
velocidade das reações (108 a 1011 + rápida);
São econômicas, reduzindo a energia de 
ativação;
Não são tóxicas;
Condições favoráveis de pH, temperatura, 
polaridade do solvente e força iônica. 
 
8
ENZIMAS 
Comparação das enzimas com catalisadores químicos.
Característica Enzimas Catalisadores Químicos
Especificidade ao substrato alta baixa
Natureza da estrutura complexa simples
Sensibilidade à T e pH alta baixa
Condições de reação (T, P e pH) suaves drástica (geralmente)
Custo de obtenção (isolamento e purificação) alto moderado
Natureza do processo batelada contínuo
Consumo de energia baixo alto
Formação de subprodutos baixa alta
Separação catalisador/ produtos difícil/cara simples
Atividade Catalítica (temperatura ambiente) alta baixa
Presença de cofatores sim não
Estabilidade do preparado baixa alta
Energia de Ativação baixa alta
Velocidade de reação alta baixa
 
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ENZIMAS – NOMENCLATURA
Século XIX - poucas enzimas identificadas
 
 - Adição do sufixo ”ASE” ao nome do substrato: 
* gorduras (lipo - grego) – LIPASE
* amido (amylon - grego) – AMILASE
 - Nomes arbitrários:
* Tripsina e pepsina – proteases
 
 
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ENZIMAS – NOMENCLATURA
1955 - Comissão de Enzimas (EC) da União 
Internacional de Bioquímica (IUB) → nomear e 
classificar.
Cada enzima → código com 4 dígitos que 
caracteriza o tipo de reação catalisada:
1° dígito - classe
2° dígito - subclasse
3° dígito - sub-subclasse
4° dígito - indica o substrato
 
 
11
ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO
1. Oxido-redutases (reações de oxidação-redução ou transferência de elétrons)
 1.1.atuando em CH-OH 
 1.2.atuando em C=O 
 1.3.atuando em C=O- 
 1.4.atuando em CH-NH2 
 1.5.atuando em CH-NH- 
 1.6.atuando em NADH, NADPH
2.Transferases (transferem grupos funcionais entre moléculas)
 2.1.grupos com um carbono 
 2.2.grupos aldeído ou cetona
 2.3.grupos acil 
 2.4.grupos glicosil
 2.7.grupos fosfatos 
 2.8.grupos contendo enxofre 
3.Hidrolases (reações de hidrólise)
 3.1.ésteres 
 3.2.ligações glicosídicas
 3.4.ligações peptídicas 
 3.5.outras ligações C-N
 3.6.anidridos ácidos
Classificação das enzimas segundo a Comissão de 
Enzimas.
 
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ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO
4.Liases (catalisam a quebra de ligações covalentes e a remoção de moléculas de água, 
amônia e gás carbônico)
 4.1. =C=C= 
 4.2. =C=O 
 4.3. =C=N-
5.Isomerases (transferência de grupos dentro da mesma molécula para formar isômeros)
 5.1.racemases
6.Ligases (catalisam reações de formação de novas moléculas a partir da ligação entre 
duas pré-existentes, sempre às custas de energia)
 6.1. C-O 
 6.2. C-S
 6.3. C-N 
 6.4. C-C
Classificação das enzimas segundo a Comissão de 
Enzimas.
 
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ENZIMAS – CLASSIFICAÇÃO
 Subclasses
Exemplos de
Subclasses
Tipo de reação catalisada Classe
Hidratases Adicionam H2O à ligas duplas Liases
Quinases Transferem fosforilas do ATP Transferase
Mutases Movem fosforilas dentro da
mesma molécula
Isomerase
Sintases Síntese independente de ATP Transferases
Sintetases Síntese dependente de ATP Ligases
 
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ENZIMAS – NOMENCLATURA
ADP + D-Glicose-6-fosfatoATP + D-Glicose
IUB - ATP:glicose fosfotransferase
E.C. 2.7.1.1E.C. 2.7.1.1
22 - - classe - Transferase
7 - subclasse - Fosfotransferases 
1 - sub-subclasse - Fosfotransferase que utiliza grupo 
hidroxila como receptor
1 - indica ser a D-glicose o receptor do grupo fosfato
Nome trivial: HexoquinaseNome trivial: Hexoquinase
 
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ENZIMAS – CATALISADORES
Aceleram reações químicas
Ex: Decomposição do H2O2 
Condições da Reação Energia livre de Ativação
KJ/mol Kcal/mol
Velocidade
Relativa
Sem catalisador
Platina
Enzima Catalase
 75,2 18,0
 48,9 11,7
 23,0 5,5
1
 2,77 x 104
 6,51 x 108
H2O2 H2O O2+
Catalase
 
16
ENZIMAS – CATALISADORES
Não são consumidos na reação
H2O2 H2O O2+
Catalase
E E ++ SS EE ++ PP
 
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ENZIMAS – CATALISADORES
Atuam em pequenas concentrações 
1 molécula de Catalase
 decompõe
5 000 000 de moléculas 
de H2O2
pH = 6,8 em 1 min
Número de renovação = n° de moléculas de 
substrato convertidas em produto por uma única 
molécula de enzima em uma dada unidade de tempo.
 
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ENZIMAS – CATALISADORES
Não alteram o estado de equilíbrio
•Abaixam a energia de ativação;
•Keq não é afetado pela enzima.
Não apresenta efeito termodinâmico global 
∀∆ G não é afetada pela enzima.
Diferença entre
a energia livre 
de S e P
Caminho da Reação
Energia de ativação com 
enzima
E
n
er
g
ia
Energia de ativação sem enzima
SS
PP
 
19
ENZIMAS – 
COMPONENTES DA REAÇÃO
EE ++ SS EE SS P P + + EE
Substrato se liga ao 
SÍTIO ATIVO
da enzima
 
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ENZIMAS – SÍTIO ATIVO
Região da molécula enzimática que participa 
da reação com o substrato.
Pode possuir componentes não protéicos:cofatores.
Possui aminoácidos auxiliares e de contato.
HOLOENZIMA
Porção protéica
APOENZIMA
Grupamento Grupamento 
prostéticoprostético
Ativador:Íons inorgânicos 
que condicionam a ação 
catalítica das enzimas. Fe²+CofatorCofator
Coenzima: molécula 
orgânica complexa.NAD+
HOLOENZIMA
Porção protéica
APOENZIMA
Grupamento 
prostético
Ativador:Íons inorgânicos 
que condicionam a ação 
catalítica das enzimas. Fe²+Cofator
 
21
ENZIMAS – COFATOR
 Algumas enzimas que contêm ou necessitam 
deelementos inorgânicos como cofatores
ENZIMA COFATOR
PEROXIDASE Fe+2 ou Fe+3
CATALASE
CITOCROMO OXIDASE Cu+2
ÁLCOOL DESIDROGENASE Zn+2
HEXOQUINASE Mg+2
UREASE Ni+2
 
22
ENZIMAS – COENZIMAS
Coenzima Abreviatura Reação
catalisada
Origem
Nicotinamida adenina
dinucleotídio
NAD+ Oxi-redução Niacina ou
Vitamina B3
Nicotinamida adenina
dinucleotídio fosfato
NADP+ Oxi-redução Niacina ou
Vitamina B3
Flavina adenina
dinucleotídio
FAD Oxi-redução Riboflavina ou
Vitamina B2
 Maioria deriva de vitaminas hidrossolúveis
 Classificam-se em:
- transportadoras de hidrogênio
- transportadoras de grupos químicos
 Transportadoras de hidrogênio
 
23
ENZIMAS – COENZIMAS
Coenzima Abrev. Reação catalisada Origem 
Coenzima A CoA-SH Transferência de 
grupo acil 
Pantotenato ou 
Vitamina B5 
Biotina Transferência de 
CO2 
Biotina ou 
Vitamina H 
Piridoxal fosfato PyF Transferência de 
grupo amino 
Piridoxina ou 
Vitamina B6 
Metilcobalamina Transferência de 
unidades de carbono 
Cobalamina ou 
Vitamina B12 
Tetrahidrofolato THF Transferência de 
unidades de carbono 
Ácido fólico 
Tiamina 
pirofosfato 
TPP Transferência de 
grupo aldeído 
Tiamina ou 
Vitamina B1 
 
 Transportadoras de grupos químicos
 
24
ENZIMAS – 
LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO
Emil Fischer (1894): alto grau de especificidade das 
enzimas originou → Chave-Fechadura , que 
considera que a enzima possui sitio ativo complementar 
ao substrato. 
 
25
ENZIMAS – 
LIGAÇÃO ENZIMA - SUBSTRATO
Koshland (1958): Encaixe Induzido E,, enzima e o 
o substrato sofrem conformação para o encaixe. O 
substrato é distorcido para conformação exata do 
estado de transição.
 
26
ENZIMAS – 
ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Enzyme Commission: “uma unidade (U) de 
atividade é a quantidade de enzima que catalisa a 
transformação de 1 micro mol de substrato ou a 
formação de 1 micro mol de produto por minuto”.
 Expressa: U = micro moles produto/minuto 
Atividade específica = U/mg de proteína
Enzima pura, condições que permita a velocidade da 
reação seja máxima → o substrato [S]↑ de modo a 
permitir que toda a enzima [E] ⇒ [ES].
V = K[E] = K[ES] 
 
27
ENZIMAS – 
ATIVIDADE ENZIMÁTICA
Fatores que alteram a velocidade de reações 
enzimáticas:
- pH;
- temperatura;
- concentração das enzimas;
- concentração dos substratos;
- presença de inibidores.
 
28
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DO PH
O efeito do pH sobre a enzima deve-se às variações 
no estado de ionização dos componentes do sistema à 
medida que o pH varia. 
Enzimas → grupos ionizáveis, existem em ≠ estados 
de ionização.
 
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ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DO PH
A estabilidade de uma enzima ao pH depende: 
 - temperatura;
 - força iônica;
 - natureza química do tampão;
 - concentração de íons metálicos contaminantes;
 - concentração de substratos ou cofatores da enzima;
 - concentração da enzima.
ENZIMA pH ÓTIMO
Pepsina 1,5
Tripsina 7,7
Catalasa 7,6
Arginasa 9,7
Fumarasa 7,8
 
30
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
 ↑ temperatura dois efeitos ocorrem:
(a) a taxa de reação aumenta, como se observa na 
maioria das reações químicas;
(b) a estabilidade da proteína decresce devido a 
desativação térmica.
 Enzima → temperatura 
ótima para que atinja sua 
atividade máxima, é a 
temperatura máxima na 
qual a enzima possui uma 
atividade cte. por um 
período de tempo.
 
31
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
 O efeito da temperatura depende:
- pH e a força iônica do meio;
- a presença ou ausência de ligantes. 
 Acima desta temperatura, o ↑ velocidade de reação 
devido a temperatura é compensado pela perda de 
atividade catalítica devido a desnaturação térmica.
ENZIMA TEMPERATURA ÓTIMA (°C)
Pepsina 31,6
Tripsina 25,5
Urease 20,8
 
32
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA
 Ea → Lei de Arrehenius
A
TRT
Ea
k
Aek RTEa
log
1
3,2
log
/
+−=
= −
Ea pode ser determinada 
medindo-se a cte de 
velocidade da reação em ≠ 
temperaturas.
Curva A: gráfico usual.
Curva B: o gráfico 
mostra uma variação 
definida na inclinação, se 
em determinada 
temperatura, uma etapa ≠ 
se torna limitante da 
velocidade.
Curva C: uma queda 
brusca na curva indica 
inativação enzimática.
 
33
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DA [E]
 Velocidade de transformação do S em P ≈ qtidade 
de E.
 Desvios da linearidade ocorrem:
- Presença de inibidores na solução de enzima;
- Presença de substâncias tóxicas;
- Presença de um ativador que dissocia a 
enzima;
- Limitações impostas pelo método de análise.
 Recomenda-se:
- Enzimas com alto grau de pureza;
- Substratos puros;
- Métodos de análise confiável.
 
34
ENZIMAS – 
INFLUÊNCIA DA [S]
 [S] varia durante o curso da reação à medida que S 
é convertido em P.
 Medir Vo = velocidade inicial da reação.
vo
[S]
Vmax
[E] = cte.
[S] pequenas → Vo↑ linearmente.
[S] maiores → Vo↑ por incrementos 
cada vez menores.
Vmax → [S]↑ → Vo↑ insignificantes.
Vmax é atingida → E estiverem na 
forma ES e a [E] livre é insignificante, 
então, E saturada com o S e V não ↑ 
com ↑ de [S].
 
35
ENZIMAS – 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 Victor Henri (1903): E E ++ S S ⇔⇔ ES ES
1913 1913 
Leonor Michaelis -EnzimologistaLeonor Michaelis -Enzimologista
Maud Menten - PediatraMaud Menten - Pediatra
E + S
K1
K-1
ES
Kp
E + P
Etapa rápida Etapa lenta
 
36
ENZIMAS – 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 Cinética Enzimática
 Determinar as constantes de afinidade do S e 
dos inibidores;
 Conhecer as condições ótimas da catálise;
 Ajuda a elucidar os mecanismos de reação;
 Determinar a função de uma determinada 
enzima em uma rota metabólica.
 
37
ENZIMAS – 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
v =
Vmax [S]
Km + [S]Km + [S]
[S]
v
Vmax
2
v = Vmax
v = Vmax [S]
Km
Km
11
22
33
1- [S]↓ → Km>>[S] 
2- [S]↑ → [S]>>Km
3- v = Vmax
2
 
38
ENZIMAS – 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 Afinidade da enzima ao substrato.
 Km depende:
 aspectos específicos do mecanismo de reação;
 n° de passos da reação;
 velocidades relativas dos passos individuais.
ENZIMA SUBSTRATO Km (mM)
Catalase H2O2 25
Hexoquinase ATP 0,4
D-Glicose 0,05
D-Frutose 1,5
Quimotripsina Gliciltirosinilglicina 108
N-benzoiltirosinamida 2,5
 
39
ENZIMAS – 
CINÉTICA ENZIMÁTICA
 Vmax:
EE + + SS
K1
KK-1
EESS
Kp EE + + PP Vmax = Kp[Et]
EE + + PPEE + + SS
K1
KK-1
EESS
K2
EEPP
K3
K-2
Vmax = K3[Et]
VVmaxmax [E] [E]
VVmaxmax [2E] [2E]VV
[S][S]
 
40
Enzimas – 
ordem da reação
Quando a formação de 
P for proporcional à [S] 
 a velocidade da reação 
é de 1a ORDEM
Quando a velocidade 
da reação independe 
da [S] a reação é de 
ORDEM ZERO
V
[S]
 [S]↓ → [S] <<Km
v = Vmax
v = Vmax [S] 
Km
v = K[S]
[S]↑ → [S]>>Km
 
41
ENZIMAS – 
MÉTODOS GRÁFICOS
maxV
1
[S]maxV
mK
v
1
+=
 Gráfico dos Recíprocos de Lineweaver-Burk
 1
[S]
 1
 v
-1
Km
 11
VVmaxmax
 Km
Vmax
Inclinação = 
 
42
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO ENZIMÁTICA
 Qualquer substância que reduz a velocidade de uma 
reação enzimática.
INIBIDORES
REVERSÍVEIS IRREVERSÍVEIS
COMPETITIVOS NÃO COMPETITIVOS INCOMPETITIVOS
 
43
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO COMPETITIVA
 Inibidor competitivo concorre com o S pelo sitio ativo da E 
livre.
 I → análogo não metabolizável, derivado de um S 
verdadeiro, S substituto da E ou um P da reação.
 [substrato] necessária para 
obter a mesma [ES]
afinidade da enzima pelo 
substrato
 I compostos com estrutura 
molecular lembra S
Km aparente 
da enzima
 
44
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO COMPETITIVA
EE + + SS EESS EE + + PP
EEII
I I 
 +
 
+
 
K1
KI
K2
][
1
)
][
1(
11
][)
][
1(
][
][
]][[
maxmax
max
SK
I
V
K
Vv
S
K
I
K
SV
v
EI
IE
K
I
m
I
m
I
++=
++
=
=
Michaelis-Menten
Lineweaver-Burk
 
45
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO COMPETITIVA
1- sem inibidor
2- com inibidor na concentração [I1] 
3- com inibidor na concentração [I2] > [I1]
 
46
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA
 Inibidor não-competitivo se liga reversivelmente, 
aleatória e independentementeem um sítio que lhe é 
próprio. 
I não tem semelhança 
estrutural com o S
 
 [substrato] não diminui a 
inibição
Km da enzima NÃO se altera
 Vmax na presença do 
inibidor
 
47
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA
EE + + SS EESS EE + + PP
EEII + + SS EEIISS
++
II
++
II
KS
KI
K2
KI
KS
(
)
][
1(
1
][
1
)
][
1(
1
)
][
1]([)
][
1
][
][
]][[
][
]][[
maxmax
max
II
m
II
m
I
K
I
VSK
I
V
K
v
K
I
S
K
I
K
SV
v
EIS
IES
EI
IE
K
+++=
+++
=
==
Lineweaver-Burk
Michaelis-Menten
 
48
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO NÃO-COMPETITIVA
1- sem inibidor
2- com inibidor na concentração [I1] 
3- com inibidor na concentração [I2] > [I1]
 
49
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA
 Inibidor incompetitivo se liga reversivelmente, em 
um sítio próprio, ao complexo ES. 
I não tem semelhança 
estrutural com o S
 
I favorece a formação do ES
Km e Vmax da enzima
 
50
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA
EE + + SS EESS EE + + PP
EEIISS
++
II
KS K2
KI
)
][
1(
1
][
11
][
][
1
][
][
1
][
]][[
maxmax
max
I
m
I
m
i
I
K
I
VSV
K
v
S
K
I
K
S
K
I
V
v
EIS
IES
K
++=
+
+
+
=
=
Lineweaver-Burk
Michaelis-Menten
 
51
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO INCOMPETITIVA
1- sem inibidor.
2- com inibidor na concentração [I1] 
3- com inibidor na concentração [I2] > [I1]
 
52
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL
 I se combina com um grupo funcional, na molécula 
da E, que é essencial para sua atividade.
 Podem promover a destruição do grupo funcional
 Forma-se uma ligação COVALENTE entre o I e a E.
 Vmax ↓ → parte da E é completamente removida do 
sistema e Km permanece a mesma.
K2
EE + + PPEE + + SS EESS
K1
EEII
++
II
 
53
ENZIMAS – 
INIBIÇÃO IRREVERSÍVEL
 Graficando Vmax vs a quantidade total de E adicionada 
ao meio de reação em presença de I.
 
54
ENZIMAS – 
ENZIMAS REGULATÓRIAS
 Não obedecem a cinética de Michaelis-Menten.
 Controlam a etapa limitante em uma cadeia de 
reações enzimáticas.
 Tem sua atividade catalítica aumentada ou diminuída 
em resposta a determinados sinais, moléculas 
sinalizadoras (pequenos metabólicos ou cofatores).
 Classes de enzimas reguladoras:
 Enzimas alostéricas;
 Enzimas reguladas pela modificação covalente 
reversível.
 
55
ENZIMAS – 
ENZIMAS REGULATÓRIAS
 Enzimas alostéricas
Funcionam através da ligação não-covalente e reversível 
de um metabólito regulador chamado modulador;
Moduladores podem ser inibidores ou ativadores;
São maiores e mais complexas, possuem duas ou mais 
cadeias polipeptídicas.
 Enzimas reguladas pela modificação covalente 
reversível
Grupos químicos são ligados covalentemente e 
removidos da enzima reguladora por enzimas ≠, podem 
ser: fosfato, adenosina monofosfato, grupos metil, etc.
 
56
ENZIMAS – 
ENZIMAS REGULATÓRIAS
1- Comportamento tipo Michaelis-Menten.
2- Comportamento Alostérico.
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