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1º MEDIO UNIDAD 2Fotosíntesis
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FIGURA 4-2 FOTOSÍNTESIS y RESPIRACIÓN CELULAR
© 2012 W. H. Freeman y Company
Sol
Energía
Toda la vida depende de la Energía capturada del sol que es convertida en formas usables por los seres vivos
1 FOTOSÍNTESIS
Las plantas captan Energía del sol y la almacenan en los enlaces químicos de los azúcares y de otras moléculas de alimentos.
2 RESPIRACIÓN CELULAR
Los organismos (incluidas las plantas) liberan la Energía almacenada en los enlaces químicos de las moléculas alimenticias que consumen (o el azúcar que producen en la fotosíntesis) y la utilizan como combustible.
Documento, traducido, modificado y actualizado mediante información obtenida de la WEB por Gustavo Toledo C., profesor de Biología y Cs. San Fernando College, 2013
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FIGURA 4-5 A medida que la energía es convertida en trabajo, una parte es liberada como calor.
Energíatransformadaen calor
Energía químicaalmacenada enlas plantas
Energía lumínica del sol
Energíatransformadaen calor
Energíacinética(movimiento)
Energía químicaalmacenada en
músculos e hígado
TRANSFORMACIONES DE ENERGÍA
FIGURA 4-4 La energía de los enlaces químicos.
La Energía química se forma de la energía potencial almacenada en enlaces químicos.
H C
Glucosa C6H12O6
El alimento es una forma de Energía química!
ENERGÍA QUÍMICA
ENERGÍAQUÍMICA
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UNIDAD 2 • Energía
3
+
ATP
ADP Pi
ENERGÍA ENERGÍA
Un input de Energía de la digestión de alimentos enlaza ADP+ Pi.
La Energía liberada como un grupo fosfato, es eyectada del ATP.
El ATP puede ser usado y reciclado cientos de veces*
FIGURA 4-7 La estructura del ATP y ADP.
Símbolo del ATP
Grupos fosfatos
Grupo fosfatoseparado
Ribosa (azúcar)
Enlacesde altaenergía
Pi
Energía
ATP símbolo del ADP
Adenina AdeninaGrupos fosfatos
Ribosa (azúcar)
ADP
El Halo verde respresenta la energía potencial del ATP
FIGURA 4-8 ATP es como una pila recargable. ©
2012 W. H. Freeman y Company
*Más de 30 veces por
minuto, cuando estamos
en reposo y más de 500
veces por minuto durante
ejercicio extenuante,
Sensu Waldron, I. 2011
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FIGURA 4-9 Cuando la planta crece, ¿de dónde se originan los nuevos tejidos?
5 años
© 2012 W. H. Freeman y Company
UNIDAD 2 • Energía
5
Energía lumínica capturada y almacenada
Energía usada para sintetizar moléculas de azúcar
Agua absorbida del suelo a través de las raíces
Azúcar usado para producir estructuras de la planta
Dióxido de carbono usado de la atmósfera
Oxígeno AzúcarLuz solar
+Agua Dióxido de carbono
+ +
Oxígeno liberado a la
atmósfera
Sol
REACCIÓN “FOTO” REACCIÓN “SÍNTESIS”
INPUT OUTPUT
FIGURA 4-11 FOTOSÍNTESIS: Panorama general. ©
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FIGURA 4-13 Estructura del cloroplasto.
Clorofila
CLOROPLASTO
ESTROMALugar de las reacciones “síntesis”, donde la energía química de las reacciones “foto” es usada para sintetizar azúcar.
TILACOIDELugar de las reacciones “foto”, donde la Energía lumínica es convertida en energía química.
FIGURA 4-12 FOTOSÍNTESIS: La FÁBRICA.
Haz de la hoja
Células fotosintéticas con cloroplastos empacados
Envés de la hoja
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UNIDAD 2 • Energía
7
LUZ SOLAR
O. Radio Infrarroja Luz UV Rayos X Rayos Gama
1.000 mLong. onda larga menor Energía
1 nm Long. onda más corta
mayor Energía
740 nm 400 nm
ESPECTRO ELECTROMAGN ÉTICO
luz visible
FIGURA 4-14 Un espectro de Energía.
© 2012 W. H. Freeman y
Company
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FIGURA 4-15 Pigmentos de plantas.
Luz del sol
Luz reflejadaluz absorbida
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Carotenoids
Chlorophyll a
Chlorophyll b
Carotenoids
Pigmentos fotosintéticos
Cant
idad
de
mol
écul
as d
e pi
gmen
tos
pres
ente
s en
hoj
as
En otoño, las moléculas de clorofila a y b se descomponen y sus lugares lo ocupan otros pigmentos.
PRIMAVERA
Luz reflejadaluz absorbida
OTOÑO
PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS Seasonal Diferencias en la cantidad de moléculas de pigmentos presentes en las hojas permite que cambien su color.
longitud de onda (nm)
Clorofila a Clorofila b Carotenoides
400 500 600 700
PIGMENTOS FOTOSINTÉTICOS
Abs
orci
ón d
e en
ergí
a
Las plantas producen varios pigmentos diferentes que absorben la luz . Cada pigmento fotosintético absorbe y refleja longitudes de onda específicas.
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UNIDAD 2 • Energía
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Sol
Clorofila
TILACOIDE Fotones
Estado de energía Normal
EnergíaPotentialmás alta
e-Estado más alto de energía
e-
e-
e-
e-
Parte de su Energía es transferida a una molécula cercana, donde excita a otro electrón .
e- e-
e-
e-
La Energía lumínica impacta a un electrón en la molécula de clorofila llevándolo a un nivel excitado, más alto de energía.
1
El electrón excitado generalmente tiene uno o dos diferentes destinos:
2
El electrón excitado es transferido a una molécula cercana.
o
Energía
MOVIMIENTO DE LA ENERGÍA A TRAVÉS DE LA CLOROFILA
FIGURA 4-16 Capturando energía lumínica como electrón excitado
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FIGURA 4-18 Fotosistema II Rompe moléculas de agua.
Sol
e-
e-
e-
La Energía lumínica excita a los electrones presentes en una molécula de pigmento (como la Clorofila). La Energía de los electrones excitados es transferida a moléculas de pigmento vecinas
1
Cuando la Energía transferida excita a electrones en la molécula de Clorofila a , el aceptor primario de electrones los toma y los envía a la cadena de transporte de e-.
2
Para reemplazar electrones enviados a la cadena de transporte de e-, se produce rompimiento de las moléculas de Agua liberándose Oxígeno e hidrógeno como subproductos.
3Oxígeno liberado
a la atmósfera
Agua
Moléculapigmento
Cloroplasto TILACOIDE
Molécula deClorofila a
Aceptor primariode electrones
A la cadena deTransporte de e-
e-
e-e-
e-
e-
e-
1
2
3
etalle Ādelárea
EL FOTOSISTEMA II (Rompimiento de la molécula de agua)
H+
H+H+
H+
El Oxígeno liberado en las reacciones "foto" es necesario para la mayor parte de la vida en la tierra, incluida la de los animales
FIGURA 4-17 Visión general de REACCIONES "FOTO".
ATP NADPH
Energía incorporada Moléculas deOxígeno
Luz solar
Cloroplasto
Agua
Clorofila
Las REACCIONES "FOTO" Ocurren en los tilacoides dentro de los cloroplastos.
REACCIONES "FOTO"
Difunden fuera de la planta
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UNIDAD 2 • Energía
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e-
e- e-Iones H+
e-
Sol Sol
e- e-e-
Oxígeno
Iones H+
AguaÁREA AUMENTADA
NADP+
TILACOIDE
ATPADP
NADPH
2 3 4FOTOSISTEMA QUE ROMPE MOLÉCULAS DE AGUA La Energía lumínica es usada para transferir electrones al aceptor primario de e-. Estos son donados por el Agua, liberando Oxígeno y iones de hidrógeno como subproductos.
1ª CADENA DE TRANSPORTE DE e- Electrones de alta energía son usados para bombear iones de H+ hacia el interior del tilacoides. La energía Cinética de la liberación de estos iones es usada para sintetizar ATP.
FOTOSISTEMA PRODUCTOR DE NADPH-El fotosistema productor de NADPH es idéntico al que rompe la molécula del agua, excepto que los electrones son donados por la cadena de transporte de e-.
2ª CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Los electrones de alta energía son transferidos al NADP+, creando NADPH, un transportador de e- de alta energía.
RESUMEN DE LOS COMPONENTES DE LAS REACCIONES "FOTO"
Flujo de electrones.
FIGURA 4-19 Aprovechando el potencial de los electrones de alta energía
e-
e-
H+
H+ H+
H+ H+
H+ H+
H+
H+
e-
e- Al fotosistemagenerador de NADPH-
TILACOIDE
ESTROMABombas deprotones
Los electrones pasan desde el aceptor primario
1
2
Los electrones se mueven a través de la cadena de transporte de e-, liberando un poco de enrgía y cayendo a un estado de menor energía.La Energía liberada potencia la bomba de protones que mueven iones hidrógeno desde el ESTROMA y los acumula dentro del TILACOIDE. Los Protones salen raudamente del TILACOIDE con gran Energía cinética, la cual puede ser usada para sintetizar ATP.
3
ATPADP
2
1
3
Cloroplasto
TILACOIDE
ÁREA DE DETALLE
LA CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES FOTOSINTÉTICA
FIGURA 4-20 La porción "Foto" de la FOTOSÍNTESIS.
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FIGURA 4-22 Síntesis de azúcar.
NADP+
Azúcar
Dióxido de C
Rubisco
G3P
ATP ADP
ATPADP
NADPH
P
EL CICLO DE CALVINFIJACIÓNLa enzima rubisco captura átomos de carbono de moléculas de CO2 presentes en el aire. Los átomos de Carbono son enlazados a una molécula orgánica.
1
REGENERACIÓNAlgunas moléculas de G3P son usadas para regenerar la molécula orgánica original usando la energía del ATP.
3
CREACIÓN DE AZÚCARLa molécula orgánica es modificada a un azúcar pequeño llamado G3P, usando energía del ATP y NADPH. Algunas moléculas de G3P se combinan para formar moléculas de 6 Carbono, tales como Glucosa o fructosa.
2
moléculaorgánica
P P
G3P
P
El ciclo de Calvin debe fijar 3 átomos de C provenientes del CO2 para sintetizar una molécula de G3P.
FIGURA 4-21 Visión gneral de las reacciones “síntesis” de la FOTOSÍNTESIS.
Azúcar
CO2
ATP NADPH
Dos Moléculas que almacenanenergía.
CICLO deCALVIN
Cloroplasto
Las reacciones “síntesis” ocurren en el ESTROMA del cloroplasto.
REACCIONES "SÍNTESIS"
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Plantas C3 dominantes Plantas C4 dominantes
Ecuador
MÉTODOS DE FOTOSÍNTESIS: DISTRIBUCIÓN EN LA TIERRA
Maíz Hiedra común
FIGURA 4-25 FOTOSÍNTESIS.C3, C4 y CAM
DíaEstomasabiertos
Estomaspoco abiertos
Estomascerrados
Estomasabiertos
CICLO DECALVIN
VENTAJAS• Energía eficienteDESVENTAJAS• Agua perdida por evaporación
en climas cálidos
VENTAJAS• Pérdida de agua minimizada
en climas cálidosDESVENTAJAS• Requiere más Energía
VENTAJAS• Pérdida de Agua minimizada en climas cálidosDESVENTAJAS• Requiere más Energía• Crecimiento lento
AzúcarAzúcar Azúcar
Dióxido de C Dióxido de C
Día
CICLO DECALVIN
ABSORCIÓN DE C
Dióxido de C
Día
Noche
CICLO DECALVIN
ABSORCIÓN DE C
ATP ATP
FOTOSÍNTESIS C3 FOTOSÍNTESIS C4
UNIDAD 2 • Energía
FOTOSÍNTESIS CAM
Cactus
FIGURA 4-26 Distribución global de plantas C3 y C4
© 2012 W. H. Freeman y Company
Chequee sus conocimientos. Preguntas de selección multiple basadas en el texto. Pueden revisar esta animación que se complementa con el texto.
http://bcs.whfreeman.com/phelan2e/default.asp#712649__748687__ 1. A green plant will grow if given nothing more than: a) water, light, and carbon dioxide.b) water, light, and oxygen.c) carbon dioxide.d) oxygen.e) oxygen and carbon dioxide.2. The actual production of sugars during photosynthesis takes place: a) within the outer membrane of the chloroplast.b) within the stroma, inside the thylakoids of the chloroplast.c) within the stroma, outside of the thylakoid, but still inside the chloroplast.d) just outside the chloroplast, within the mitochondria.e) within the thylakoid membrane of the chloroplast.3. The leaves of plants can be thought of as "eating" sunlight. From an energetic perspective this makes sense because: a) light energy, like the chemical energy stored in food molecules, is used inside plants to do work.b) both light energy and food energy can be converted to kinetic energy without the loss of heat.c) the carbon-oxygen bonds within a photon of light release energy when broken by the enzymes in chloroplasts.d) the carbon-hydrogen bonds within a photon of light release energy when broken by the enzymes in chloroplasts.e) photons are linked together by hydrogen bonds which release energy when striking the surface of a leaf.4. A molecule of chlorophyll increases in potential energy: a) when it binds to a photon.b) when one of its electrons is boosted to a higher-energy excited state upon being struck by a photon of light.c) when it loses an electron.d) only in the presence of oxygen.e) none of the above. The potential energy of a molecule cannot change.5. Photosynthesizing plants rely on water: a) to provide the protons necessary to produce chlorophyll.b) to concentrate the beams of light hitting a leaf, focusing them on the reaction center.c) to replenish oxygen molecules that are lost during photosynthesis.d) to replace electrons that are excited by light energy and passed from molecule to molecule down an electron transport chain.e) to serve as a high-energy electron carrier.6. During photosynthesis, which step is most responsible for a plant's acquisition of new organic material: a) the "building" of NADPH during the Calvin cycle.b) the excitation of chlorophyll molecules by photons of light.c) the "plucking" of carbon molecules from the air and affixing of them to organic molecules within the chloroplast.d) the loss of water through evaporation.e) the production of ATP during the light reactions.7. During C4 photosynthesis: a) plants utilize less ATP when producing sugar.b) plants are able to continue producing sugars even when they must almost completely close their stomata to reduce water loss during hot days.c) plants are able to generate water molecules to cool their leaves.d) plants are able to reduce water loss by producing more rubisco.e) plants are able to produce sugars without any input of carbon dioxide.
Photosynthesis: The ''Photo'' Reactions8. What is the main purpose of photosynthesis? a. to release oxygen into the atmosphere b. to make sugars for food c. to harvest energy from carbon dioxide d. to harvest energy from glucose9. When a chlorophyll molecule absorbs light, exciting an electron, the chlorophyll molecule a. releases kinetic energy. b. gains potential energy. c. releases a photon. d. returns to its resting state.10. From where do replacement electrons for chlorophyll a come? a. the sun b. the electron vacuum c. thylakoid pigments d. water molecules11. What is the outcome of the flow of protons across the thylakoid membrane into the stroma? a. the capture of photons from sunlight b. the release of oxygen atoms from water molecules c. the generation of ATP from the difference in proton concentration d. the excitement of electrons to higher energy levels12. Why must plants get water for photosynthesis to occur? a. Water provides energy for making sugars. b. Water is necessary for cellular respiration. c. Water replaces electrons used during the "photo" reactions. d. Water keeps plant cells hydrated.
Photosynthesis: The ''Synthesis'' Reactions13. What links the "photo" reactions with the "synthesis" reactions? a. light energy from the sunb. ATP and NADPHc. the electrons from waterd. carbon dioxide from the air14. What is the function of rubisco? a. Rubisco provides energy for the Calvin cycle.b. Rubisco releases oxygen from water molecule.c. Rubisco removes carbon dioxide from air and binds it to an organic molecule.d. Rubisco converts sunlight energy to chemical energy.15. What is regenerated in the Calvin cycle? a. carbon dioxideb. the organic moleculec. rubiscod. water16. Why does feeding sugar to cut flowers keep them alive longer? a. Sugar prevents the growth of bacteria.b. Sugar makes cellular respiration unnecessary.c. Sugar replaces the electrons lost in the first photosystem.d. Sugar provides an energy source for cellular processes.
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FIGURA 4-30 Glicólisis.
1 FASE PREPARATORIA
Glucosa
Molécula inestable preparada para ser
degradada
2 FASE DE PAGO
ATP (2) ATP (4)
NADH (2)
−2 +4 +2ATPATP NADH
Agua
GLICÓLISIS
La Glicólisis ocurre en el citoplasma.
PIruvato (2)
ENERGÍA ADQUIRIDAEnergía OCUPADA
FIGURA 4-28 RESPIRACIÓN CELULAR -Panorama general.
Oxígenode la atmósfera
Dióxido decarbono liberadoa la atmósfera
Agua
Azúcar y otras moléculas de alimentos energéticas.
ATP
En células de plantas y animales, se rompen enlaces de alta energía de las moléculas de alimento, liberando su Energía.
RESPIRACIÓN CELULAR
Agua EnergíaCO2+ ++
Oxígeno Azúcar
ATP
INPUT OUTPUT
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UNIDAD 2 • Energía
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Oxaloacetato
Molécula de6-carbonos
Molécula 4-carbono
A la cadena de transporte de e-
Acetil-CoA
SE HA FORMADO UNA NUEVA MOLÉCULA Una molécula de acetil-CoA entra al ciclo y se une al oxaloacetato, creando una molécula de 6 C.
1
OXALOACETATO ES RE-FORMADO, SE GENERA ATP Y SE FORMAN MÁS TRANSPORTADORES DE e- DE ALTA ENERGÍALa molécula de 4-carbonos remanente es reordenada para formar oxaloacetato. En el proceso, se forma ATP y los electrones son transferidos al NADH y FADH2.
3
SE FORMAN TRANSPORTADORES DE ELECTRONES DE ALTA ENERGÍA (NADH) y SE EXHALA CO2
La molécula de 6 carbonos dona electrones al NAD+, creando NADH. Son liberadas DOS moléculas de Dióxido de Carbono a la atmósfera .
2
CO2
NADH FADH2
ATP
NAD+NADH
NAD+
NADH
FAD
FADH2
CICLO DE KREBS
Se necesitan Dos vueltas del CICLO DE KREBS para desmanelar completamente nuestra molécula original de GLUCOSA.
×2
FIGURA 4-31 Preparación del piruvato.
A medida que se forma cada piruvato, se transfiere un par de e- (y un protón) al NAD+, produciendo NADH.
1
Son liberados un átomo de carbono y dos de oxígeno, como dióxido de carbono.
2
La Coenzima A se une a la molécula remanente creando acetil-CoA.
3
Dióxido de Carbono
Al ciclo de Krebs
Piruvato
=
+
Coenzima A
Acetil-CoA
NAD+
NADH
PRODUCCIÓN DE ACETIL CoA
Modelo molecular del piruvato
Las modificaciones del piruvato ocurren en la mitocondria.
Glucosa
FIGURA 4-32 VISIÓN GENERAL DELCICLO DE KREBS.
© 2012 W. H. Freeman y Company
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FIGURA 4-34 La gran ganancia de Energía
En cada paso en la secuencia de transferencias de la cadena de transporte de electrones, estos caen a un nivel más bajo de energía, liberando un poco de su Energía.
Electrones de alta energía son transferidos desde los transportadores NADH y FADH2 a una serie de moléculas embebidas en la membrana mitocondrial interna, llamada CTE
1
Al final de la cadena, los electrones de baja energía se transfieren al oxígeno, que se combina luego con iones H+ libres para formar agua.
2
Los protones regresar rápidamente a la matriz mitocondrial, con gran energía cinética, la que se usa para sintetizar ATP.
La energía se utiliza para energizar bombas de protones , que bombean H+ desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana.
4
Oxígeno
H+
Espacio Intermembrana
Membrana interna mitocondrial
Matriz miocondrial
H+
e-
e-
H+ H+ H+
H+H+
e-
e-
NADH
FADH2
ATPADP
1
3
4
2
Agua
H+ H+H+
NAD+
FAD
LA CADENA DE TRANSPORTE DE e- MITOCONDRIAL
FIGURA 4-33 “una bolsa dentro de una bolsa.”
“BOLSA DENTRO DE UNA BOLSA”Dentro de la mitocondria, los materiales pueden presentarse en uno de dos lugares:
1
“BOLSA” INTERNA LLENO CON MOLÉCULAS Éstas crean una cadena de transporte de e- capacitada para la producción deATP.
2
Espacio Intermembrana
Plano de sección transversal
Matriz mitocondrial
MITOCONDRIA:UNA VISIÓN CERCANA A SU ESTRUCTURA
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UNIDAD 2 • Energía
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Glucosa
Piruvato
Citoplasma
Piruvato
Oxígeno Agua
1 Glicólisis 2 ATP Netos
CO2
CO2
ATP
ATP
mitocondria
PRODUCCIÓN
DE ACETIL CoA2
3 CICLO DE KREBS 2 ATP netos
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Ca. 25 ATP netos
4
ATP
Acetil-CoA
e-
e-
RESUMEN DE LA RESPIRACIÓN CELULAR
NADH FADH2
Cada paso en la degradación del alimento aumenta la cantidad de energía útil que es generada.
FIGURA 4-35 Los pasos de la RESPIRACIÓN CELULAR: Desde la glucosa hasta la energía útil.
© 2012 W. H. Freeman y Company.
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FIGURA 4-39 “Alta flexibilidad”
Glicólisis
Grasas Carbohidratos Proteínas
Ác. grasos Glicerol Azúcares simples Compuestos de C
Grupo Amino
Usado en laproducción de tejido o excretado como desecho
Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
Cadena de transporte de e-
Energía
ENERGÍA DE GRASAS, CARBOHIDRATOS Y PROTEÍNASPROTEINS
FIGURA 4-37 Producción de energía con o sin oxígeno.
RESPIRACIÓNCELULAR
FERMENTACIÓN
Electrones generados del proceso de glicólisis y del ciclo de KREBS e-
e-e-
ACEPTOR DEELECTRONES
Oxígeno
Oxígenopresente
Oxígenoausente
PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL PRODUCTO FINAL
ACEPTOR DEELECTRONES
Acetaldehido
ACEPTOR DEELECTRONES
Piruvato
Agua Ácido láctico Etanol
¡Realizar Esfuerzo sin suficiente Oxígeno conduce a
dolores en animales, pero a alcohol en levaduras!
EN ANIMALES en levaduras
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