J. L. Sánchez Guillén. IES Pando - Oviedo Departamento de Biología y Geología 1

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1 J. L. Sánchez Guillén IES Pando - Oviedo Departamento de Biología y Geología 1

2 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares

3 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 3

4 Organismos animales y vegetales estamos constituidos por células Las células están formadas por moléculas... y las moléculas por átomos. 4

5 Qué moléculas constituyen las células de los seres vivos? 5

6 Los medios internos de los seres vivos son una compleja mezcla de moléculas. 6

7 Algunas biomoléculas son de pequeño tamaño como es el caso del. agua O Oxígeno H Hidrógeno 7

8 EL agua es la biomolécula más abundante en los seres vivos. Los medios internos de los seres vivos son medios acuosos en los que la molécula de agua es predominante. 8

9 Otras moléculas son grandes moléculas: la hemoglobina, una proteína. Carbono Oxígeno Nitrógeno Azufre ir enlace 9

10 Macromoléculas: Se llaman así a las moléculas que tienen una masa molecular superior a da. El ADN es una gran molécula orgánica formada en la mayoría de los casos por cientos de millones de átomos, es una macromolécula. Fragmento de la doble hélice del ADN, cada esfera es un átomo. 10

11 BIOMOLÉCULAS El medio interno de los seres vivos es una compleja mezcla de moléculas. Miles de moléculas se encuentran dispersas en el medio celular interaccionando entre sí. Desentrañar este complejo mundo ha sido una tarea titánica. Hoy en día, después de más de 300 años de intensa búsqueda y descubrimiento, empezamos a conocer las moléculas que constituyen los seres vivos. Las biomoléculas han sido clasificadas tradicionalmente en una serie de grupos conocidos como principios inmediatos. Llamados así porque podían extraerse fácilmente mediante técnicas sencillas, como disoluciones, filtraciones, etc. 11

12 LAS BIOMOLÉCULAS: CLASIFICACIÓN Inorgánicas -Agua -CO 2 -Sales minerales Orgánicas -Glúcidos -Lípidos -Prótidos o proteínas -Ácidos nucleicos 12

13 LAS BIOMOLÉCULAS REPARTICIÓN DE LOS COMPONENTES MOLECULARES DE LA CÉLULA (en % sobre masa total) Principios inmediatos Glúcidos Lípidos Prótidos Ácidos Nucleicos ARN ADN Precursores Agua Sales minerales PROCARIOTAS EUCARIOTAS 3 4,5 18 1,25 0,

14 I) Técnicas para el estudio fisicoquímico: sirven para conocer la composición y relacionar esta composición con las estructuras celulares. Estos métodos son: a) Destilación b) Filtración c) Decantación d) Centrifugación e) Cromatografía f) Electroforesis II) Técnicas para el estudio morfológico de la célula. Nos permiten conocer cómo es su forma, su tamaño y su estructura. Son, fundamentalmente: a) Microscopía óptica b) Microscopía electrónica 1) Microscopio electrónico de Trasmisión (MET) 2) Microscopio electrónico de barrido (MEB) 14

15 Destilación: Sirve para separar por evaporación y condensación posterior, dos liquidos miscibles. 15

16 Decantación: Sirve para separar, por ejemplo, mezclas de líquidos no solubles de densidad diferente. 16

17 Homogeneizador Se trata de un aparato que sirve para triturar y disgregar el material biológico, rompiendo las membranas celulares para dejar libres los orgánulos y el resto del contenido celular para posteriores tratamientos. 17

18 FILTRACIÓN: Separa la fase líquida de la parte sólida. 18

19 Centrifugación: Los materiales biológicos sometidos a fuertes aceleraciones se desplazan hacia el fondo de los recipientes que los contienen con velocidades que dependen de su masa, de su forma y volumen, y de la naturaleza del medio en el que se realice la centrifugación. 19

20 20

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22 Cromatografía de gases 22

23 ELECTROFORESIS En este método, la mezcla a separar se deposita en una cubeta sobre un soporte de tipo poroso (acetato de celulosa o también gel de almidón). A continuación se establece una diferencia de potencial entre los extremos del soporte. Las sustancias que componen la mezcla se desplazarán en función de su carga eléctrica. 23

24 Cultivos in vitro: Bacterias en cápsulas de Petri Frascos para cultivos celulares 24

25 25

26 El microscopio electrónico, desarrollado a mediados del siglo XX, permite más de aumentos 26

27 Fundamento del microscopio óptico y del microscopio electrónico Cañón de electrones c o imagen electrones b objeto objeto b visor o c luz imagen Microscopio electrónico Microscopio óptico c) condensador; b) objetivo; o) ocular. interruptor 27

28 Diferencias entre el microscopio óptico y del microscopio electrónico Microscopio óptico Fuente de iluminación: La luz Se pueden ver seres vivos Microscopio electrónico Fuente de iluminación: electrones No se pueden ver los seres vivos Poco aumento (X1000) Mucho aumento (X ) Se observa la estructura Preparaciones sencillas Aparato relativamente barato Se observa la ultraestructura Preparaciones complejas Instrumento muy caro 28

29 Unidades de medida en microscopía 1 micrometro * = 1 µm = 0,001 mm (milésima de milímetro) 1 nanometro = 1 nm = 0, mm (millonésima de milímetro) 1 amstrong = 1 Å = 0,1 nm (diez millonésima de milímetro) * También se llama micra Tamaños usuales en microscopía átomo = 1 Å virus = 25 nm a 300 nm bacteria =1 µ Célula = 10 µm a 100 µm 29

30 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares

31 Concepto de Bioelemento: Elemento químico que constituye las moléculas de los seres vivos CLASES DE BIOELEMENTOS Primarios: C, H, O, N, S, P. Los más abundantes, 96 2% del total de la masa de un ser vivo. - Secundarios: Na +, K +, Mg ++, Ca ++, Cl -. En menor porcentaje, pero también imprescindibles para los seres vivos. Oligoelementos: En proporción menor al 0,1%. Indispensables: en todos los seres vivos: Mn, Fe, Cu; Variables: en algunos organismos: B, Al, V. 31

32 BIOELEMENTOS OLIGOELEMENTOS Primarios Secundarios Indispensables Variables O C H N P S Na + K + Mg 2+ Ca 2+ Cl - Mn Fe Co Cu Zn B Al V Mo I Si 32

33 Tabla de los Bioelementos H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Cs Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw Bioelementos Primarios Secundarios Oligoelementos Indispensables Variables 33

34 CARACTERÍSTICAS DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS Cierta abundancia en la corteza terrestre. Sus compuestos son polares ( partes de la molécula con carga + y otras con cargas - ) lo que hace a estos compuestos solubles en agua. C y N pasan con facilidad del estado de oxidado a reducido y viceversa. Lo que es importante en los procesos de obtención de energía (fotosíntesis y respiración celular). C, H, O y N tienen pequeña masa atómica lo que permite variabilidad de valencias dando lugar a moléculas grandes, estables y variadas. 34

35 Los elementos químicos más abundantes en la corteza terrestre y en los seres vivos (en % en peso). Elementos Corteza (%) Elementos Seres vivos (%) Oxígeno Silicio Aluminio Hierro Oxígeno Carbono Hidrógeno Nitrógeno ,5 3 35

36 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 36

37 EL ENLACE COVALENTE Los átomos que constituyen las moléculas orgánicas están unidos entre sí mediante enlaces covalentes. Este enlace se forma cuando átomos del mismo o diferente elemento comparten electrones para poder completar su última capa. Los electrones que puede compartir un átomo para completar su última capa los llamaremos electrones de valencia. Los enlaces covalentes se representan mediante una raya que simboliza el par de electrones compartido. Los enlaces covalentes son muy resistentes en medio acuoso. C C C El átomo de carbono tiene 4 electrones en su última capa. Esta capa se completa con 8 electrones. Es por esto que el carbono tiene cuatro electrones de valencia y puede forma cuatro enlaces covalentes. 37

38 UNIÓN DE DOS ÁTOMOS DE CARBONO MEDIANTE UN ENLACE COVALENTE. electrón enlace covalente Los electrones de valencia no pueden quedar libres, por lo que otros átomos con electrones 38 de valencia libres se unen al átomo que disponga de electrones libres hasta completarlos.

39 FORMACIÓN DEL ETANO. Molécula de etano C 2 H 6 Los electrones de valencia no pueden quedar libres, por lo que otros átomos con electrones 39 de valencia libres se unen al átomo que disponga de electrones libres hasta completarlos.

40 ENLACES COVALENTES SIMPLES, DOBLES Y TRIPLES. Enlace covalente simple: Cuando un átomo comparte con otro dos electrones, uno de cada átomo. Enlace covalente doble: Cuando un átomo comparte con otro cuatro electrones, dos de cada átomo. Enlace covalente triple: Cuando un átomo comparte con otro seis electrones, tres de cada átomo. C H C O C C Enlace covalente simple Carbono-Hidrógeno. Enlace covalente doble Carbono-Oxígeno. Enlace covalente triple Carbono-Carbono. 40

41 GIRO ALREDEDOR DE LOS ENLACES SIMPLES, DOBLES Y TRIPLES. Es de destacar que alrededor de un enlace simple está permitido el giro, algo que no sucede alrededor de los enlaces dobles o triples. 41

42 LOS ENLACES COVALENTES DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS (I) El carbono tiene cuatro electrones de valencia. Debido a esto formará 4 enlaces covalentes que podrán ser: Cuatro simples. Uno doble y dos simples. Dos dobles. Uno simple y uno triple. C C C C Cuatro simples Uno doble y dos simples Dos dobles. Uno triple y uno simple. 42

43 LOS ENLACES COVALENTES DE LOS BIOELEMENTOS PRIMARIOS (II) H O S N N O S N El hidrógeno tiene un electrón de valencia. El oxígeno tiene dos electrones de valencia. El azufre tiene dos electrones de valencia. El nitrógeno tiene tres electrones de valencia. 43

44 EJEMPLOS DE LOS ENLACES COVALENTES DEL CARBONO. H H H C H H C O H C C H H Metano Cuatro simples Formaldehído Dos simples y uno doble Etino Uno simple y uno triple. 44

45 En el pirúvico podemos observar diferentes combinaciones de enlaces dobles y simples del carbono con otros elementos. H O O H C C C O H H 45

46 Polaridad de los enlaces covalentes: Cuando los átomos unidos por un enlace covalente pertenecen a elementos de electronegatividad muy diferente, por ejemplo, el O y el H. El más electronegativo atrae hacia sí más el par de electrones del doble enlace, quedando con cierta carga negativa y el menos electronegativo queda con una cierta cantidad de carga positiva. En este caso, diremos que el enlace es polar, lo que tendrá una gran importancia en los procesos biológicos: polaridad del agua, estabilidad de las proteínas y del ADN, solubilidad. δ + δ - δ - δ + Polaridad del enlace O-H Polaridad del enlace N-H 46

47 Aunque las fórmulas de las moléculas se representan en un plano, los átomos se disponen según una compleja representación espacial. Carbono Oxígeno Nitrógeno Azufre Hidrógeno La cisteína, un aminoácido. 47

48 LA DISPOSICIÓN ESPACIAL DE LOS ENLACES EN EL CARBONO: HIBRIDACIONES: Aunque representaremos los átomos en el plano, estos en realidad se encuentran orientados en el espacio. El carbono, dependiendo de los enlaces covalentes, puede tener tres tipos de disposición espacial o hibridaciones. Hibridación tetraédrica: Cuatro enlaces simples Hibridación trigonal: Uno doble y dos simples. Hibridación digonal: Dos dobles o uno simple y uno triple. C C C C H. tetraédrica H. trigonal H. digonal H. digonal 48

49 º Hibridaciones del átomo de carbono. Hibridación tetraédrica. En este tipo de hibridación el carbono se dispone en el centro de un tetraedro y los otros átomos en los vértices. Molécula de metano. En el metano (CH 4 ) el carbono tiene hibridación tetraédrica 49

50 No obstante el metano lo representaremos en el plano en su fórmula desarrollada o en su fórmula empírica. H H C H CH 4 H Fórmula desarrollada Fórmula empírica 50

51 Representación tridimensional del etano (verde=c; gris=h). Cada carbono es el centro de un tetraedro 51

52 Representación tridimensional del etano (verde=c; gris=h). Cada carbono es el centro de un tetraedro 52

53 No obstante el etano lo representaremos en el plano en su fórmula desarrollada, en su fórmula semidesarrollada o en su fórmula empírica. CH 3 -CH 3 H H Fórmula semidesarrollada H C C H H H C 2 H 6 Fórmula desarrollada Fórmula empírica 53

54 Carbonos tetraédricos en el propano (verde=c; gris=h). 54

55 Carbonos tetraédricos en el propano (verde=c; gris=h). 55

56 Carbonos tetraédricos en el propano (verde=c; gris=h). 56

57 Representación tridimensional del butano (verde=c; gris=h). 57

58 Representación tridimensional del eteno. Hibridación trigonal: Cada carbono es el centro de un triángulo (verde=c; gris=h). 58

59 No obstante el eteno lo representaremos en el plano en su fórmula desarrollada, en su fórmula semidesarrollada o en fórmula empírica. CH 2 =CH 2 H H Fórmula semidesarrollada H C C H Fórmula desarrollada C 2 H 4 Fórmula empírica 59

60 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 60

61 Las cadenas carbonadas Las diferentes biomoléculas van a estar constituidas básicamente por átomos de carbono unidos entre sí mediante enlaces covalentes. La resistencia y versatilidad de los enlaces carbono-carbono y del carbono con otros elementos: oxígeno, nitrógeno o azufre, va a posibilitar el que se puedan formar estructuras que serán el esqueleto de las principales moléculas orgánicas. 61

62 Tipos de esqueletos de las moléculas orgánicas -C- C- C- C- C- C- C- C- 1) Cadena lineal saturada -C- C- C=C- C- C=C- C- 2) Cadena lineal insaturada 4) Doble ciclo mixto. -C- C- C- -C- C- C- C- C- -C- C- C- 3) Cadena ramificada. 5) Ciclo mixto. 62

63 Las moléculas orgánicas, como este fosfoglicérido, están formadas por cadenas carbonadas constituídas por: C, H, O, N, P.. 63

64 Carbono Hidrógeno Hidrocarburo de cadena lineal saturada (no olvidar que alrededor de los enlaces simples está permitido el giro). 64

65 Carbono Oxígeno Hidrógeno Este compuesto presenta una cadena lineal saturada 65

66 Doble enlace Carbono Oxígeno Hidrógeno Ácido orgánico de cadena lineal insaturada 66

67 Dobles enlaces Carbono Oxígeno Ácido orgánico de cadena lineal insaturada Hidrógeno 67

68 Carbono Oxígeno Hidrógeno La glucosa tiene una cadena cíclica 68

69 Los monosacáridos, como la glucosa, presentan una cadena cíclica mixta carbono- CH 2 OH oxígeno. C O H H OH C C OH OH H H C C H OH 69

70 Doble ciclo de un disacárido 70

71 Cadenas cíclicas de un compuesto orgánico 71

72 Cadenas cíclicas de un compuesto orgánico 72

73 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 73

74 FUNCIONES ORGÁNICAS Concepto: Agrupaciones características de átomos. Las principales son: Alcohol: Cetona: Aldehído: Ácido: -O-H >C=O -CHO -COOH Amino: -NH 2 Amida: -CONH 2 Tiol: -S-H 74

75 H O C O H C O C C C Función alcohol Función aldehído Función cetona O Función ácido C S Función tiol H C O H H O C N H C Función amina * En los enlaces libres sólo puede haber o carbonos o hidrógenos. Función amida N H H 75

76 alcohol Carbono Oxígeno Etanol Hidrógeno 76

77 ácido amina Aminoácido: serina Carbono Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno 77

78 Carbono Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno Azufre tiol Aminoácido: cisteína 78

79 Carbono ácido Oxígeno Hidrógeno Ácido orgánico de cadena lineal saturada 79

80 Doble enlace Carbono Oxígeno ácido Hidrógeno Ácido orgánico de cadena lineal insaturada 80

81 Dobles enlaces ácido Carbono Oxígeno Ácido orgánico de cadena lineal insaturada Hidrógeno 81

82 C= gris O=rojo H=gris 82

83 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 83

84 Representación en esferas de una biomolécula C H S O N 84

85 O C= verde N=azul O=rojo H=gris C H N 85

86 H H C= verde N=azul O=rojo H=gris O C C N H O H 86

87 FÓRMULAS DE LAS BIOMOLÉCULAS Desarrollada o estructural: indicando todos los átomos y enlaces covalentes de la molécula. Semidesarrollada: indicando únicamente los enlaces de la cadena carbonada. Empírica: indicando únicamente el número de átomos de cada elemento de la molécula. Simplificadas: las cadenas carbonadas se representan mediante una línea quebrada en la que no se indican carbonos e hidrógenos pero si dobles enlaces u otras variaciones que posee la molécula (funciones alcohol, cetona,ácido, amino, etc). 87

88 El ácido pirúvico en su fórmula desarrollada. H O O H C C C O H H Memo: En la fórmulas desarrollada o estructural se indican todos los átomos y enlaces covalentes de la molécula. 88

89 Fórmula semidesarrollada del ácido pirúvico. CH 3 -CO-COOH Fórmula empírica del ácido pirúvico. C 3 H 4 O 3 89

90 Veamos en conjunto cómo son las fórmulas desarrollada, semidesarrollada y empírica del eteno. CH 2 =CH 2 H H Fórmula semidesarrollada H C C H Fórmula desarrollada C 2 H 4 Fórmula empírica 90

91 Fórmula semidesarrollada de los principales grupos funcionales. CH 2 OH CHO C CO C Función alcohol terminal Función aldehído Función cetona Función ácido CHSH COOH Función tiol Función amida CH 2 NH 2 Función amina terminal CONH 2 91

92 Ejemplo de molécula biológica: el colesterol, en su fórmula simplificada. CH 3 CH 2 CH CH 2 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH 3 CH CH 3 CH 2 C CH 2 CH 2 CH 3 CH CH CH 2 CH 2 C CH CH C CH 2 HO CH 2 CH. y ahora en su fórmula semidesarrollada. 92

93 Ejemplo de molécula biológica en su fórmula simplificada. O COOH OH OH 93

94 La grandes moléculas se representan esquemáticamente. Ejemplo de representación de la estructura terciaria de una proteína 94

95 La grandes moléculas se representan esquemáticamente. Ejemplo de representación de la estructura del ADN. 95

96 CONCEPTOS DE MACROMOLÉCULA, MONÓMERO Y POLÍMERO Macromolécula: Grandes moléculas de masa superior a 10 4 da (1da=1uma). Polímero: Moléculas resultantes de la unión de unidades menores (monómeros). Monómero: Unidades menores que forman los polímeros. 96

97 Ejemplo de macromolécula: fragmento de almidón, un polisacárido. El almidón es un polímero cuyo monómero es la glucosa. 97

98 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 98

99 ENLACES INTER E INTRAMOLECULARES Son aquellos enlaces que se dan entre moléculas o partes de una molécula, que le dan una mayor estabilidad. Así: Puentes disulfuro: -S-S- ( a partir de grupos tiol) muy resistentes (proteínas). Enlace hidrógeno: ( N-H, O-H, C=O ) fuerzas eléctricas entre átomos con diferente electronegatividad, lo que le da a la molécula una distribución diferencial de cargas + y - (Ejemplo: Proteínas y ácidos nucleicos). Enlace iónico: se dan en moléculas que contienen -COO - y - NH + 3, que en agua se encuentran ionizados. Uniones hidrofóbicas: debidas a diferencias de solubilidad respecto al agua (membranas celulares). Fuerzas de Van der Waals: debidas a pequeñas fluctuaciones en la carga de los átomos. 99

100 Los puentes disulfuro se forman cuando reaccionan dos grupos tiol (-S-H) dando S-S- y H 2. H H S S 100

101 Las cadenas proteicas que forman los anticuerpos están unidas por puentes disulfuro. Zona bisagra Cadena pesada (H) Cadena ligera (L) Glúcido Glúcido Parte variable Parte constante Puentes disulfuro 101

102 Los enlaces de hidrógeno se forman al atraerse átomos unidos mediante enlaces covalentes polares. δ + δ - δ + δ - Formación de un enlace de hidrógeno entre un grupo O-H y un grupo H-N<. 102

103 Enlaces de hidrógeno entre bases nitrogenadas en el ADN Las bases de una de las cadenas se enlazan con las de la otra por medio de enlaces de hidrógeno. La adenina se une a la timina y la citosina a la guanina. Adenina Timina Guanina Citosina 103

104 Enlaces iónicos o interacciones ácido-base: Los grupos ácidos, en medio acuoso y en función del ph del medio, pierden H + y se ionizan dando COO -. Los grupos amino son básicos y en medio acuoso captan H + y quedan cargados positivamente (-NH 3+ ). El enlace iónico se establece cuando quedan próximos grupos ácidos y amino cargados diferentemente, al atraerse las cargas eléctricas que portan. - + Grupo -COOH Grupo H 2 N-C- Estas interacciones moleculares son relativamente débiles en medio acuoso, pero van a tener gran importancia en la estabilidad de la estructura de ciertas moléculas 104 como las proteínas.

105 CLASES DE BIOMOLÉCULAS O PRINCIPIOS INMEDIATOS Concepto: moléculas que pueden extraerse de la materia viva inmediatamente, por métodos físicos sencillos. Inorgánicos: agua (70%), dióxido de carbono, sales minerales. Orgánicas: Glúcidos Lípidos Proteínas (20%) Ácidos nucleicos. Biocatalizadores: Moléculas orgánicas de importancia pero necesarios en pequeña cantidad. Nunca tienen función energética ni estructural. Enzimas Vitaminas Hormonas 105

106 Practica con esta interesante web de Lourdes Luengo: moleculas/bioelementos.htm 106

107 0- ÍNDICE 1- Técnicas de estudio de la materia viva 2- Bioelementos 3- El enlace covalente 4- Las cadenas carbonadas 5- Grupos funcionales 6- Fórmulas 7- Interacciones intra e intermoleculares 107

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