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Código genético

Serie de codones que forman parte de una molécula de ARN mensajero (ARNm). Cada codón consta de tres nucleótidos , que normalmente corresponden a un solo aminoácido . Los nucleótidos se abrevian con las letras A, U, G y C. Este es el ARNm, que utiliza U ( uracilo ). El ADN utiliza T ( timina ) en su lugar. Esta molécula de ARNm dará instrucciones a un ribosoma para que sintetice una proteína de acuerdo con este código.

El código genético es el conjunto de reglas que utilizan las células vivas para traducir la información codificada en el material genético ( secuencias de tripletes de nucleótidos o codones de ADN o ARN ) en proteínas . La traducción se lleva a cabo por el ribosoma , que une los aminoácidos proteinogénicos en un orden especificado por el ARN mensajero (ARNm), utilizando moléculas de ARN de transferencia (ARNt) para transportar los aminoácidos y leer el ARNm de tres en tres nucleótidos . El código genético es muy similar entre todos los organismos y se puede expresar en una tabla simple con 64 entradas.

Los codones especifican qué aminoácido se añadirá a continuación durante la biosíntesis de proteínas . Con algunas excepciones, [1] un codón de tres nucleótidos en una secuencia de ácido nucleico especifica un solo aminoácido. La gran mayoría de los genes están codificados con un único esquema (véase la tabla de codones del ARN ). Ese esquema se suele denominar código genético canónico o estándar, o simplemente código genético, aunque existen códigos variantes (como en las mitocondrias ).

Historia

El código genético

Los esfuerzos para comprender cómo se codifican las proteínas comenzaron después de que se descubriera la estructura del ADN en 1953. Los descubridores clave, el biofísico inglés Francis Crick y el biólogo estadounidense James Watson , trabajando juntos en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge, plantearon la hipótesis de que la información fluye desde el ADN y que existe un vínculo entre el ADN y las proteínas. [2] El físico soviético-estadounidense George Gamow fue el primero en dar un esquema viable para la síntesis de proteínas a partir del ADN. [3] Postuló que se deben emplear conjuntos de tres bases (tripletes) para codificar los 20 aminoácidos estándar utilizados por las células vivas para construir proteínas, lo que permitiría un máximo de 4 3 = 64 aminoácidos. [4] Llamó a esta interacción ADN-proteína (el código genético original) "código diamante". [5]

En 1954, Gamow creó una organización científica informal, el RNA Tie Club , como sugirió Watson, para científicos de diferentes tendencias que estuvieran interesados ​​en cómo se sintetizaban las proteínas a partir de los genes. Sin embargo, el club solo podía tener 20 miembros permanentes para representar a cada uno de los 20 aminoácidos y cuatro miembros honorarios adicionales para representar a los cuatro nucleótidos del ADN. [6]

La primera contribución científica del club, registrada posteriormente como "uno de los artículos inéditos más importantes de la historia de la ciencia" [7] y "el artículo inédito más famoso en los anales de la biología molecular", [8] fue realizada por Crick. Crick presentó un artículo escrito a máquina titulado "Sobre plantillas degeneradas y la hipótesis del adaptador: una nota para el RNA Tie Club" [9] a los miembros del club en enero de 1955, que "cambió totalmente la forma en que pensábamos sobre la síntesis de proteínas", como recordó Watson. [10] La hipótesis establece que el código de tripletes no se transmitió a los aminoácidos como pensaba Gamow, sino que lo transportó una molécula diferente, un adaptador, que interactúa con los aminoácidos. [8] El adaptador fue identificado posteriormente como ARNt. [11]

Codones

El experimento de Crick, Brenner, Barnett y Watts-Tobin demostró por primera vez que los codones constan de tres bases de ADN.

Marshall Nirenberg y J. Heinrich Matthaei fueron los primeros en revelar la naturaleza de un codón en 1961. [12] Utilizaron un sistema libre de células para traducir una secuencia de ARN de poliuracilo (es decir, UUUUU...) y descubrieron que el polipéptido que habían sintetizado consistía únicamente en el aminoácido fenilalanina . [13] De este modo dedujeron que el codón UUU especificaba el aminoácido fenilalanina.

A esto le siguieron experimentos en el laboratorio de Severo Ochoa que demostraron que la secuencia de ARN poliadenina (AAAAA...) codificaba para el polipéptido polilisina [ 14 ] y que la secuencia de ARN policitosina ( CCCCC...) codificaba para el polipéptido poliprolina [15] . Por lo tanto, el codón AAA especificaba el aminoácido lisina y el codón CCC especificaba el aminoácido prolina . Utilizando varios copolímeros se determinaron la mayoría de los codones restantes.

Trabajos posteriores de Har Gobind Khorana identificaron el resto del código genético. Poco después, Robert W. Holley determinó la estructura del ARN de transferencia (ARNt), la molécula adaptadora que facilita el proceso de traducción del ARN en proteína. Este trabajo se basó en los estudios anteriores de Ochoa, que le valieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1959 por su trabajo sobre la enzimología de la síntesis del ARN. [16]

Ampliando este trabajo, Nirenberg y Philip Leder revelaron la naturaleza triplete del código y descifraron sus codones. En estos experimentos, varias combinaciones de ARNm se pasaron a través de un filtro que contenía ribosomas , los componentes de las células que traducen el ARN en proteína. Los tripletes únicos promovieron la unión de ARNt específicos al ribosoma. Leder y Nirenberg pudieron determinar las secuencias de 54 de los 64 codones en sus experimentos. [17] Khorana, Holley y Nirenberg recibieron el Premio Nobel (1968) por su trabajo. [18]

Los tres codones de terminación recibieron su nombre de los descubridores Richard Epstein y Charles Steinberg. El nombre "ámbar" se debe a su amigo Harris Bernstein, cuyo apellido significa "ámbar" en alemán. [19] Los otros dos codones de terminación se denominaron "ocre" y "ópalo" para mantener el tema de los "nombres de los colores".

Códigos genéticos ampliados (biología sintética)

En un amplio público académico, el concepto de la evolución del código genético desde el código genético original y ambiguo a un código bien definido (“congelado”) con el repertorio de 20 (+2) aminoácidos canónicos es ampliamente aceptado. [20] Sin embargo, existen diferentes opiniones, conceptos, enfoques e ideas sobre cuál es la mejor manera de cambiarlo experimentalmente. Incluso se proponen modelos que predicen “puntos de entrada” para la invasión de aminoácidos sintéticos al código genético. [21]

Desde 2001, se han añadido 40 aminoácidos no naturales a las proteínas mediante la creación de un codón único (recodificación) y un par ARN de transferencia:aminoacil – ARNt-sintetasa correspondiente para codificarlo con diversas propiedades fisicoquímicas y biológicas con el fin de utilizarlo como herramienta para explorar la estructura y función de las proteínas o para crear proteínas nuevas o mejoradas. [22] [23]

H. Murakami y M. Sisido ampliaron algunos codones para que tuvieran cuatro y cinco bases. Steven A. Benner construyó un codón funcional número 65 ( in vivo ). [24]

En 2015, N. Budisa , D. Söll y colaboradores informaron la sustitución completa de los 20.899 residuos de triptófano (codones UGG) con tienopirrol-alanina no natural en el código genético de la bacteria Escherichia coli . [25]

En 2016 se creó el primer organismo semisintético estable. Se trataba de una bacteria (unicelular) con dos bases sintéticas (llamadas X e Y). Las bases sobrevivieron a la división celular. [26] [27]

En 2017, investigadores de Corea del Sur informaron que habían diseñado un ratón con un código genético extendido que puede producir proteínas con aminoácidos no naturales. [28]

En mayo de 2019, los investigadores informaron sobre la creación de una nueva cepa "Syn61" de la bacteria Escherichia coli . Esta cepa tiene un genoma completamente sintético que se refactorizó (se expandieron todas las superposiciones), se recodificaron (se eliminaron por completo el uso de tres de los 64 codones) y se modificaron aún más para eliminar los ARNt y los factores de liberación ahora innecesarios. Es completamente viable y crece 1,6 veces más lento que su contraparte de tipo salvaje "MDS42". [29] [30]

Características

Marcos de lectura en la secuencia de ADN de una región del genoma mitocondrial humano que codifica para los genes MT-ATP8 y MT-ATP6 (en negro: posiciones 8.525 a 8.580 en la secuencia de acceso NC_012920 [31] ). Hay tres posibles marcos de lectura en la dirección 5' → 3' hacia adelante, comenzando en la primera (+1), segunda (+2) y tercera posición (+3). Para cada codón (corchetes), el aminoácido viene dado por el código mitocondrial de vertebrados , ya sea en el marco +1 para MT-ATP8 (en rojo) o en el marco +3 para MT-ATP6 (en azul). El gen MT-ATP8 termina con el codón de terminación TAG (punto rojo) en el marco +1. El gen MT-ATP6 comienza con el codón ATG (círculo azul para el aminoácido M) en el marco +3.

Marco de lectura

Un marco de lectura se define por el triplete inicial de nucleótidos a partir del cual comienza la traducción. Establece el marco para una serie de codones sucesivos que no se superponen, lo que se conoce como un " marco de lectura abierto " (ORF). Por ejemplo, la cadena 5'-AAATGAACG-3' (ver figura), si se lee desde la primera posición, contiene los codones AAA, TGA y ACG; si se lee desde la segunda posición, contiene los codones AAT y GAA; y si se lee desde la tercera posición, contiene los codones ATG y AAC. Cada secuencia puede, por lo tanto, leerse en su dirección 5' → 3' en tres marcos de lectura , cada uno de los cuales produce una secuencia de aminoácidos posiblemente distinta: en el ejemplo dado, Lys (K)-Trp (W)-Thr (T), Asn (N)-Glu (E) o Met (M)-Asn (N), respectivamente (al traducir con el código mitocondrial de vertebrados). Cuando el ADN es de doble cadena, se definen seis posibles marcos de lectura , tres en orientación directa en una cadena y tres en orientación inversa en la cadena opuesta. [32] : 330  Los marcos de codificación de proteínas se definen por un codón de inicio , generalmente el primer codón AUG (ATG) en la secuencia de ARN (ADN).

En los eucariotas , los ORFs en los exones a menudo están interrumpidos por intrones .

Codones de inicio y de finalización

La traducción comienza con un codón de inicio de cadena o codón de inicio . El codón de inicio por sí solo no es suficiente para comenzar el proceso. También se requieren secuencias cercanas como la secuencia Shine-Dalgarno en E. coli y factores de iniciación para iniciar la traducción. El codón de inicio más común es AUG, que se lee como metionina o como formilmetionina (en bacterias, mitocondrias y plástidos). Los codones de inicio alternativos según el organismo incluyen "GUG" o "UUG"; estos codones normalmente representan valina y leucina , respectivamente, pero como codones de inicio se traducen como metionina o formilmetionina. [33]

Los tres codones de terminación tienen nombres: UAG es ámbar , UGA es ópalo (a veces también llamado umber ) y UAA es ocre . Los codones de terminación también se denominan codones de "terminación" o "sin sentido". Señalan la liberación del polipéptido naciente del ribosoma porque ningún ARNt cognado tiene anticodones complementarios a estas señales de terminación, lo que permite que un factor de liberación se una al ribosoma en su lugar. [34]

Efecto de las mutaciones

Ejemplos de mutaciones notables que pueden ocurrir en humanos [35]

Durante el proceso de replicación del ADN , ocasionalmente ocurren errores en la polimerización de la segunda cadena. Estos errores, las mutaciones , pueden afectar el fenotipo de un organismo , especialmente si ocurren dentro de la secuencia codificante de proteínas de un gen. Las tasas de error son típicamente de 1 error cada 10–100 millones de bases, debido a la capacidad de "corrección" de las polimerasas del ADN . [36] [37]

Las mutaciones sin sentido y las mutaciones sin sentido son ejemplos de mutaciones puntuales que pueden causar enfermedades genéticas como la enfermedad de células falciformes y la talasemia respectivamente. [38] [39] [40] Las mutaciones sin sentido clínicamente importantes generalmente cambian las propiedades del residuo de aminoácido codificado entre estados básicos, ácidos, polares o no polares, mientras que las mutaciones sin sentido dan como resultado un codón de terminación . [32]

Las mutaciones que alteran la secuencia del marco de lectura mediante inserciones o deleciones de un número no múltiplo de 3 bases de nucleótidos se conocen como mutaciones por desplazamiento del marco de lectura . Estas mutaciones suelen dar lugar a una traducción completamente diferente de la original y probablemente provoquen la lectura de un codón de terminación , lo que trunca la proteína. [41] Estas mutaciones pueden perjudicar la función de la proteína y, por lo tanto, son raras en las secuencias codificantes de proteínas in vivo . Una razón por la que la herencia de las mutaciones por desplazamiento del marco de lectura es rara es que, si la proteína que se está traduciendo es esencial para el crecimiento bajo las presiones selectivas a las que se enfrenta el organismo, la ausencia de una proteína funcional puede provocar la muerte antes de que el organismo se vuelva viable. [42] Las mutaciones por desplazamiento del marco de lectura pueden dar lugar a enfermedades genéticas graves, como la enfermedad de Tay-Sachs . [43]

Aunque la mayoría de las mutaciones que cambian las secuencias de proteínas son dañinas o neutrales, algunas mutaciones tienen beneficios. [44] Estas mutaciones pueden permitir que el organismo mutante resista estreses ambientales particulares mejor que los organismos de tipo salvaje , o se reproduzca más rápidamente. En estos casos, una mutación tenderá a volverse más común en una población a través de la selección natural . [45] Los virus que usan ARN como material genético tienen tasas de mutación rápidas, [46] lo que puede ser una ventaja, ya que estos virus evolucionan rápidamente y, por lo tanto, evaden las respuestas defensivas del sistema inmunológico . [47] En grandes poblaciones de organismos que se reproducen asexualmente, por ejemplo, E. coli , pueden ocurrir simultáneamente múltiples mutaciones beneficiosas. Este fenómeno se llama interferencia clonal y causa competencia entre las mutaciones. [48]

Degeneración

Agrupamiento de codones por volumen molar de residuos de aminoácidos e hidropaticidad . Hay disponible una versión más detallada .
Los ejes 1, 2 y 3 son la primera, segunda y tercera posición del codón. Los 20 aminoácidos y los codones de terminación (X) se muestran en código de una sola letra .

La degeneración es la redundancia del código genético. Este término fue dado por Bernfield y Nirenberg. El código genético tiene redundancia pero no ambigüedad (ver las tablas de codones a continuación para la correlación completa). Por ejemplo, aunque los codones GAA y GAG especifican ácido glutámico (redundancia), ninguno especifica otro aminoácido (sin ambigüedad). Los codones que codifican un aminoácido pueden diferir en cualquiera de sus tres posiciones. Por ejemplo, el aminoácido leucina se especifica mediante los codones Y U R o CU N (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA o CUG) (la diferencia en la primera o tercera posición se indica utilizando la notación IUPAC ), mientras que el aminoácido serina se especifica mediante los codones UC N o AG Y (UCA, UCG, UCC, UCU, AGU o AGC) (diferencia en la primera, segunda o tercera posición). [49] Una consecuencia práctica de la redundancia es que los errores en la tercera posición del codón triplete causan solo una mutación silenciosa o un error que no afectaría a la proteína porque la hidrofilia o hidrofobicidad se mantiene por sustitución equivalente de aminoácidos; por ejemplo, un codón de NUN (donde N = cualquier nucleótido) tiende a codificar aminoácidos hidrofóbicos. NCN produce residuos de aminoácidos que son pequeños en tamaño y moderados en hidropaticidad ; NAN codifica residuos hidrofílicos de tamaño promedio. El código genético está tan bien estructurado para la hidropaticidad que un análisis matemático ( descomposición en valores singulares ) de 12 variables (4 nucleótidos x 3 posiciones) produce una correlación notable (C = 0,95) para predecir la hidropaticidad del aminoácido codificado directamente a partir de la secuencia de nucleótidos del triplete, sin traducción. [50] [51] Nótese en la tabla, a continuación, que ocho aminoácidos no se ven afectados en absoluto por mutaciones en la tercera posición del codón, mientras que en la figura anterior, es probable que una mutación en la segunda posición cause un cambio radical en las propiedades fisicoquímicas del aminoácido codificado. Sin embargo, los cambios en la primera posición de los codones son más importantes que los cambios en la segunda posición a escala global. [52] La razón puede ser que la inversión de carga (de una carga positiva a una negativa o viceversa) solo puede ocurrir tras mutaciones en la primera posición de ciertos codones, pero no tras cambios en la segunda posición de ningún codón. Tal inversión de carga puede tener consecuencias dramáticas para la estructura o función de una proteína. Este aspecto puede haber sido subestimado en gran medida por estudios previos. [52]

Sesgo en el uso de codones

La frecuencia de los codones, también conocida como sesgo de uso de codones , puede variar de una especie a otra con implicaciones funcionales para el control de la traducción . El codón varía según el organismo; por ejemplo, el codón de prolina más común en E. coli es CCG, mientras que en los humanos este es el codón de prolina menos utilizado. [53]

Códigos genéticos alternativos

Aminoácidos no estándar

En algunas proteínas, los aminoácidos no estándar se sustituyen por codones de terminación estándar, dependiendo de las secuencias de señal asociadas en el ARN mensajero. Por ejemplo, UGA puede codificar selenocisteína y UAG puede codificar pirrolisina . La selenocisteína llegó a ser vista como el aminoácido número 21, y la pirrolisina como el número 22. [55] Tanto la selenocisteína como la pirrolisina pueden estar presentes en el mismo organismo. [55] Aunque el código genético normalmente está fijo en un organismo, el procariota aqueal Acetohalobium arabaticum puede expandir su código genético de 20 a 21 aminoácidos (al incluir pirrolisina) bajo diferentes condiciones de crecimiento. [56]

Variaciones

Logotipo del código genético del genoma mitocondrial de Globobulimina pseudospinescens elaborado por FACIL. El programa es capaz de inferir correctamente que se está utilizando el Código Mitocondrial de Protozoos . [57] El logotipo muestra los 64 codones de izquierda a derecha, las alternativas predichas en rojo (en relación con el código genético estándar). Línea roja: codones de terminación. La altura de cada aminoácido en la pila muestra la frecuencia con la que se alinea con el codón en los dominios proteicos homólogos. La altura de la pila indica el apoyo a la predicción.

En un principio, existía un argumento simple y ampliamente aceptado de que el código genético debería ser universal: a saber, que cualquier variación en el código genético sería letal para el organismo (aunque Crick había afirmado que los virus eran una excepción). Esto se conoce como el argumento del "accidente congelado" para la universalidad del código genético. Sin embargo, en su artículo seminal sobre los orígenes del código genético en 1968, Francis Crick todavía afirmaba que la universalidad del código genético en todos los organismos era una suposición no probada, y probablemente no era cierta en algunos casos. Predijo que "el código es universal (el mismo en todos los organismos) o casi". [58] La primera variación fue descubierta en 1979, por investigadores que estudiaban los genes mitocondriales humanos . [59] A partir de entonces se descubrieron muchas variantes leves, [60] incluidos varios códigos mitocondriales alternativos. [61] Estas variantes menores, por ejemplo, implican la traducción del codón UGA como triptófano en especies de Mycoplasma , y ​​la traducción de CUG como una serina en lugar de leucina en levaduras del "clado CTG" (como Candida albicans ). [62] [63] [64] Debido a que los virus deben utilizar el mismo código genético que sus huéspedes, las modificaciones al código genético estándar podrían interferir con la síntesis o el funcionamiento de las proteínas virales. Sin embargo, virus como los totivirus se han adaptado a la modificación del código genético del huésped. [65] En bacterias y arqueas , GUG y UUG son codones de inicio comunes. En casos raros, ciertas proteínas pueden utilizar codones de inicio alternativos. [60] Sorprendentemente, también existen variaciones en la interpretación del código genético en los genes humanos codificados en el núcleo: en 2016, los investigadores que estudiaban la traducción de la malato deshidrogenasa descubrieron que en aproximadamente el 4% de los ARNm que codifican esta enzima, el codón de terminación se usa de forma natural para codificar los aminoácidos triptófano y arginina. [66] Este tipo de recodificación es inducida por un contexto de codón de terminación de alta lectura [67] y se denomina lectura funcional traduccional . [68]

A pesar de estas diferencias, todos los códigos naturales conocidos son muy similares. El mecanismo de codificación es el mismo para todos los organismos: codones de tres bases, ARNt , ribosomas, lectura en una sola dirección y traducción de codones individuales en aminoácidos individuales. [69] Las variaciones más extremas ocurren en ciertos ciliados donde el significado de los codones de terminación depende de su posición dentro del ARNm. Cuando están cerca del extremo 3' actúan como terminadores mientras que en posiciones internas codifican aminoácidos como en Condylostoma magnum [70] o desencadenan el cambio de marco ribosómico como en Euplotes . [71]

Los orígenes y la variación del código genético, incluidos los mecanismos detrás de la capacidad de evolución del código genético, han sido ampliamente estudiados, [72] [73] y se han realizado algunos estudios para evolucionar experimentalmente el código genético de algunos organismos. [74] [75] [76] [77]

Inferencia

Los códigos genéticos variantes utilizados por un organismo se pueden inferir identificando genes altamente conservados codificados en ese genoma y comparando su uso de codones con los aminoácidos en proteínas homólogas de otros organismos. Por ejemplo, el programa FACIL infiere un código genético buscando qué aminoácidos en dominios proteicos homólogos se alinean con mayor frecuencia con cada codón. Las probabilidades de aminoácidos (o codones de terminación) resultantes para cada codón se muestran en un logotipo de código genético. [57]

A partir de enero de 2022, el estudio más completo de códigos genéticos lo han realizado Shulgina y Eddy, quienes examinaron 250.000 genomas procariotas utilizando su herramienta Codetta. Esta herramienta utiliza un enfoque similar a FACIL con una base de datos Pfam más grande . A pesar de que el NCBI ya proporciona 27 tablas de traducción, los autores pudieron encontrar 5 nuevas variaciones del código genético (corroboradas por mutaciones de ARNt) y corregir varias atribuciones erróneas. [78] Codetta se utilizó más tarde para analizar el cambio del código genético en ciliados . [79]

Origen

El código genético es una parte clave de la historia de la vida , según una versión de la cual las moléculas de ARN autorreplicantes precedieron a la vida tal como la conocemos. Esta es la hipótesis del mundo del ARN . Bajo esta hipótesis, cualquier modelo para el surgimiento del código genético está íntimamente relacionado con un modelo de la transferencia de las ribozimas (enzimas del ARN) a las proteínas como las principales enzimas en las células. En línea con la hipótesis del mundo del ARN, las moléculas de ARN de transferencia parecen haber evolucionado antes que las modernas aminoacil-ARNt sintetasas , por lo que estas últimas no pueden ser parte de la explicación de sus patrones. [80]

Un código genético hipotético evolucionado aleatoriamente motiva además un modelo bioquímico o evolutivo para su origen. Si los aminoácidos se asignaran aleatoriamente a codones tripletes, habría 1,5 × 10 84 códigos genéticos posibles. [81] : 163  Este número se encuentra calculando el número de formas en que 21 elementos (20 aminoácidos más una parada) se pueden colocar en 64 contenedores, donde cada elemento se usa al menos una vez. [82] Sin embargo, la distribución de asignaciones de codones en el código genético no es aleatoria. [83] En particular, el código genético agrupa ciertas asignaciones de aminoácidos.

Los aminoácidos que comparten la misma vía biosintética tienden a tener la misma primera base en sus codones. Esto podría ser una reliquia evolutiva de un código genético primitivo, más simple, con menos aminoácidos, que luego evolucionó para codificar un conjunto más grande de aminoácidos. [84] También podría reflejar propiedades estéricas y químicas que tuvieron otro efecto en el codón durante su evolución. Los aminoácidos con propiedades físicas similares también tienden a tener codones similares, [85] [86] lo que reduce los problemas causados ​​por mutaciones puntuales y traducciones erróneas. [83]

Dado el esquema de codificación de tripletes genéticos no aleatorio, una hipótesis sostenible para el origen del código genético podría abordar múltiples aspectos de la tabla de codones, como la ausencia de codones para los aminoácidos D, los patrones de codones secundarios para algunos aminoácidos, el confinamiento de posiciones sinónimas a la tercera posición, el pequeño conjunto de solo 20 aminoácidos (en lugar de un número cercano a 64) y la relación de los patrones de codones de terminación con los patrones de codificación de aminoácidos. [87]

Tres hipótesis principales abordan el origen del código genético. Muchos modelos pertenecen a una de ellas o a un híbrido: [88]

Las hipótesis han abordado una variedad de escenarios: [93]

Véase también

Referencias

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