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Definición de Oxidación biológica

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 Biología] Proceso consistente en reacciones de transferencia de hidrógenos o electrones de unas moléculas a otras en las células vivas, para la producción de energía. Las transformaciones energéticas en las células vivas implican el movimiento de electrones de un nivel energético a otro, y frecuentemente de un átomo o molécula a otro. Las reacciones en las cuáles los electrones se mueven de un átomo a otro se llaman reacciones de oxidorreducción. El átomo o molécula que pierde electrones se oxida mientras que el que los gana se reduce. (Véase Oxidación).

Los electrones poseen diferentes cantidades de energía potencial en función de su distancia al núcleo del átomo y de la atracción ejercida por el núcleo sobre los electrones. Un ingreso de energía lanzará a un electrón a un nivel energético más alto, pero si no se añade energía entonces el electrón permanecerá en el nivel energético más bajo que encuentre disponible. Las reacciones químicas son transformaciones de energía en las cuales la energía almacenada en los enlaces químicos se transfiere a otros enlaces químicos recién formados. En estas transferencias energéticas, los electrones se desplazan de un nivel de energía a otro. En muchas reacciones, los electrones pasan de un átomo o molécula a otro. Estas reacciones, que son de gran importancia en los seres vivos, se conocen como reacciones de oxidación-reducción.

La pérdida de un electrón se denomina oxidación y el átomo o molécula que pierde el electrón se dice que se ha oxidado. La razón de que este proceso se conozca como oxidación, es debido a que el oxígeno, que atrae muy fuertemente a los electrones, es por lo general el aceptor de electrones. La reducción, es lo contrario, la ganancia de un electrón. Por tanto, la oxidación y la reducción siempre ocurren simultáneamente, ya que el electrón perdido por el átomo oxidado es ganado por el átomo que se reduce durante el proceso.

Las reacciones de oxido-reducción pueden implicar a un electrón solitario, como por ejemplo el caso del sodio que pierde un electrón y se oxida a Na+, y el cloro que gana un electrón y se reduce a Cl-. A menudo, sin embargo, el electrón viaja con un protón, o sea como átomo de hidrogeno. En estos casos, la oxidación implica la remoción de átomos de hidrogeno, y la reducción, la ganancia de átomos de hidrogeno. En estos procesos, los electrones pasan de un nivel de energía más alto a uno más bajo, liberándose energía. En el proceso de la fotosíntesis, se ceden átomos de hidrogeno desde el agua al dióxido de carbono, reduciendo el dióxido de carbono para formar glucosa. La diferencia es que en este caso se necesita de un impulso de energía para que los electrones puedan pasar a un nivel energético más elevado y la reacción ocurra.

En los sistemas vivos, las reacciones que capturan energía (fotosíntesis) y las reacciones que liberan energía (glucolisis y respiración), son reacciones de oxidación-reducción. La oxidación de la glucosa libera 686 kilocalorías de energía libre. Si esta energía fuera liberada de una sola vez, la mayor parte se disiparía como calor, lo cual no sería útil para la célula y además la alta temperatura resultante sería letal. Para evitar esto, en los seres vivos se han desarrollado mecanismos que regulan estas reacciones químicas, de modo que la energía liberada se almacena en enlaces químicos particulares de los que puede ser liberada en pequeñas cantidades cuando la célula lo necesite. Estos mecanismos implican generalmente secuencias de reacciones, algunas de las cuales son reacciones de oxido-reducción. Aunque en cada reacción de la secuencia solo se produce un pequeño cambio en cuanto a la energía libre, el cambio global a lo largo de toda la secuencia de reacciones puede ser considerable.
(Ver Energía libre de Gibbs en Termodinámica).

El flujo de electrones en las reacciones de oxidación-reducción es responsable, directa o indirectamente, de todo el trabajo realizado por los organismos vivos. En los organismos no fotosintéticos, la fuente de electrones son compuestos reducidos (alimentos); en los organismos fotosintéticos, el dador electrónico inicial es una especie química excitada por la absorción de luz. La ruta del flujo electrónico en el metabolismo es compleja. Los electrones pasan desde diversos intermedios metabólicos a transportadores electrónicos especializados en reacciones catalizadas por enzimas. Estos transportadores ceden los electrones a aceptores con una afinidad por los electrones más elevada que el anterior transportador, liberando en estos pasos energía.

Las células contienen una serie de elementos que son capaces de transformar la energía de flujo electrónico en trabajo útil. El oxigeno es extremadamente reactivo, y puede reaccionar con la mayoría de los constituyentes citoplasmáticos. Por esta razón, el O2 probablemente era tóxico para muchos organismos primitivos, al igual que lo es para muchas bacterias anaeróbicas actuales (ver anaerobio). Sin embargo, esta capacidad de reacción proporciona una fuente de energía química, como ya se ha dicho. Con el oxigeno, los organismos pueden oxidar de manera más completa las molécula que ingieren. La glucosa, en presencia del oxigeno, puede ser degradada a CO2 y agua, mientras que en su ausencia solo puede ser degrada a ácido láctico o etanol, en lo que se conoce como glucolisis anaeróbica.

La liberación de energía en la oxidación aeróbica (con O2) de las moléculas alimenticias, proceso conocido como respiración, es utilizada para impulsar la síntesis de adenosín trifosfato (ATP), de manera parecida a la que utilizan los organismos fotosintéticos para producir ATP a partir de la energía solar. En ambos procesos existe una serie de reacciones de oxido-reducción, en las cuales se transfieren electrones y que es conocida como cadena respiratoria. En esta cadena respiratoria se produce un gradiente de protones de hidrogeno entre el exterior e interior de la membrana en la cual se asienta la cadena respiratoria. El gradiente de protones es utilizado para impulsar la síntesis de ATP. La respiración es utilizada por la gran mayoría de organismos, incluidos una buena parte de los procariotas.

El proceso de oxidación más importante en los organismos vivos, es la oxidación de la glucosa, de la que se obtiene la mayor parte de la energía utilizada por las células. Aproximadamente, un 40 % de la energía liberada por la oxidación de la glucosa se conserva en la conversión de adenosín difosfato (ADP) a ATP. La oxidación de la glucosa se lleva a cabo en dos etapas principales, la glucolisis y la respiración, que incluye al ciclo de Krebs y la cadena de transporte de electrones. La glucolisis se lleva a cabo en el citoplasma celular, mientras que la respiración se desarrolla en las mitocondrias.

En la glucolisis la molécula de glucosa, compuesta por seis carbonos, se rompe en dos moléculas de tres carbonos conocidas como ácido pirúvico, liberándose en las reacciones de oxidación-reducción cuatro átomos de hidrogeno, o lo que es lo mismo cuatro electrones y cuatro protones. La glucolisis, que degrada la glucosa a piruvato, libera solamente una pequeña fracción de la energía disponible de la oxidación de los azucares. En las mitocondrias, la oxidación de los azucares se completa a través de la respiración. De este modo, la energía disponible en los azúcares se aprovecha mucho mejor, ya que se producen unas 36 moléculas de ATP por cada molécula de glucosa, mientras que en la glucolisis se obtienen solamente dos moléculas de ATP. El metabolismo oxidativo de las mitocondrias utiliza como combustibles principales a los ácidos grasos provenientes del citosol (citoplasma celular), como el piruvato. Estos compuestos son transformados en Acetil CoA (donde CoA es la coenzima A), que se introduce posteriormente en ciclo de Krebs, para su degradación. El proceso finaliza con el paso de electrones de alta energía, derivados del grupo acetilo, a lo largo de la cadena respiratoria.

El Acetil CoA que penetra en el ciclo de Krebs, proviene en su mayor parte de los ácidos grasos, salvo después de una comida, en cuyo caso su procedencia deriva de la glucosa de los alimentos. Los productos finales de este ciclo de Krebs son CO2, NADH y FADH2. El NADH y el FADH2 transportan sus electrones hasta la cadena respiratoria, al final de la cual, estos electrones son utilizados para reducir el O2 a H2O. Aunque el ciclo de Krebs forma parte del metabolismo aeróbico, en ninguna de las reacciones que conducen a la producción de NADH y FADH2 se utiliza el oxigeno molecular. La energía liberada por estas reacciones es utilizada para facilitar la conversión de ADP en ATP. Los electrones de alta energía transportados en los hidrógenos del NADH y FADH2 son introducidos en la cadena respiratoria, pasando a moléculas transportadoras de más baja energía en cada paso de la cadena.

Como resultado de ello, los electrones fluyen en cascada a niveles energéticos menores, hasta que son transferidos al oxigeno. La energía liberada en cada uno de estos pasos es utilizada para bombear protones, creando un gradiente que es utilizado para impulsar la conversión de ADP en ATP. En la cadena respiratoria se consigue que reaccione una molécula de H2 con media de O2 para dar lugar a H2O. La energía liberada en esta reacción puede ser almacenada en vez de ser liberada en forma de calor.

-oxidación de los ácidos grasos

Los ácidos grasos se oxidan por pérdidas sucesivas de dos carbonos. Este proceso se conoce como -oxidación. El átomo del carbono beta del ácido graso, se oxida y origina un beta-cetoácido que se escinde y forma un fragmento de dos carbonos (probablemente el ácido acético) y un ácido graso con dos carbonos menos.

Los ácidos grasos se encuentran en el citosol de la célula, de aquí tienen que pasar al interior de la mitocondria (en un proceso de transporte que comprende tres etapas) donde tiene lugar la oxidación. Después que han entrado en la mitocondria, el proceso de oxidación transcurre en dos fases. En la primera, los ácidos grasos sufren la eliminación de átomos de carbono de dos en dos por oxidación. Un conjunto de enzimas separan una unidad acetilo, de dos carbonos, en forma de acetil-CoA. Así, el ácido palmítico, que contiene 16 átomos de carbono, debe pasar siete veces por el complejo de enzimas, generando ocho acetil-CoA. La formación de cada acetil-CoA precisa que se separen cuatro átomos de hidrógeno del ácido graso por acción de las enzimas deshidrogenasas. En la segunda fase, los restos de acetil-CoA se oxidan, en el ciclo del ácido cítrico o de Krebs, a CO2 y agua; igual que pasaba con el acetil-CoA procedente de la glucosa.

Estas dos fases dan como resultado un flujo de átomos de hidrógeno y electrones, que fluyen a la cadena de transporte de electrones hasta el oxígeno. A esta cadena de transporte de electrones se halla asociada la fosforilación oxidativa del ADP a ATP. De este modo, se conserva en forma de ATP la energía producida por la oxidación de los ácidos grasos.

Oxidación de ácidos grasos saturados

La oxidación de ácidos grasos saturados tiene lugar en cuatro etapas: deshidrogenación, hidratación, otra vez deshidrogenación y ruptura.

Etapa de deshidrogenación

El éster del acilo graso del CoA experimenta una deshidrogenación en los átomos de carbono de posiciones 2 y 3, y forma un doble enlace. La reacción es catalizada por la deshidrogenasa del acil-CoA y un FAD (flavín-adenín-dinucleótido) se convierte en un FADH2. El FAD, una vez que ha aceptado los electrones liberados en la reacción, se los cede a la cadena transportadora de electrones asociada a la respiración. Durante el transporte de este par de electrones hasta el oxígeno, se producen dos ATP por fosforilación oxidativa. El producto de esta reacción es el trans-2-enoil-CoA. El símbolo 2 designa la posición del doble enlace, en este caso entre el carbono 2 y 3.

Etapa de hidratación

Se adiciona agua al doble enlace y se forma el 1,3-hidroxiacil-CoA. La enzima que cataliza la reacción es la hidratasa del acil-CoA.

Segunda etapa de deshidrogenación

La acción de la deshidrogenasa 3-hidroxiacil-CoA hace que se forme 3-Cetoacil-CoA. En esta reacción interviene un NAD+ como aceptor de electrones y pasa a ser NADPH. También se desprenden protones (H+). El NADH formado cede sus electrones a la cadena de transporte de electrones hasta el oxígeno. Por cada par de electrones que pasan del NADPH hasta el oxígeno se consiguen tres moléculas de ATP.

Etapa de ruptura

Catalizada por la acetiltransferasa del acetil-CoA o tiolasa que, con una molécula de CoA-SH, separa el fragmento de dos carbonos que contiene el acetil-CoA del acilo graso del CoA acortado en dos átomos de carbono, el ácido mirístico de 14 carbonos. Este puede entrar ahora en el ciclo de la oxidación del ácido graso y originar una segunda molécula de acetil-CoA y lauril-CoA, éster del CoA del ácido graso de 12 carbonos que es el ácido laúrico.

Oxidación de ácidos grasos no saturados

La oxidación de ácidos grasos no saturados requiere dos etapas más que la de ácidos grasos saturados. Los enzimas y productos finales de cada una de las reacciones (metabolitos) son diferentes de la oxidación de ácidos grasos saturados aunque, igualmente, el producto final del ciclo de la oxidación es el acetil-CoA. En estas dos etapas intervienen dos enzimas, una isomerasa y la epimerasa.

Los ácidos grasos no saturados tienen los dobles enlaces en posición cis. Este doble enlace se encuentra entre el carbono 9 y 10. Esto hace que la siguiente enzima que debe actuar en la oxidación no pueda hacerlo, ya que se lo impide la rigidez producida por este doble enlace. La isomerasa hace que ese enlace se encuentre en posición trans y así pueda actuar la otra enzima y seguir el ciclo de oxidación. Este es el caso del ácido oleíco.

La otra enzima interviene en la oxidación de ácidos grasos poliinsaturados, que tienen más de un doble enlace, por ejemplo, el ácido linoleico de 18 carbonos. Posee dos dobles enlaces cis, uno en la posición 9 y otro en posición 12. La epimerasa lo que hace es pasar el producto de la reacción de la forma D a la forma L, para que pueda experimentar las reacciones normales de oxidación. El resultado global de la oxidación del ácido linoleico son nueve moléculas de acetil-CoA.

Oxidación de aminoácidos

Aunque el papel principal de los aminoácidos es participar en la biosíntesis de proteínas, también pueden utilizarse para obtener energía a través de un proceso de oxidación, en tres circunstancias metabólicas diferentes: en la renovación de las proteínas en la célula se liberan los aminoácidos que la componen, y los que no son necesarios pueden entrar en una vía catabólica y oxidarse para obtener energía; por otra parte, si se ingieren aminoácidos en exceso también entran en una vía catabólica, pues no se pueden almacenar; y por último, durante el ayuno prolongado, ya que las proteínas deben cubrir el papel que no pueden desarrollar los carbohidratos al no estar disponibles.

El grupo amino de los aminoácidos entra en una ruta oxidativa cuyo resultado final, en muchos organismos entre ellos los vertebrados, es la urea. Las enzimas que catalizan este proceso se llaman transaminasas o aminotransferasas y las reacciones se llaman transaminaciones. El grupo amino de los aminoácidos se transfiere al cetoglutarato. Lo que sucede realmente no es que se deshaga un grupo amino, sino que todos los grupos amino de los distintos aminoácidos pasen a formar un único aminoácido, el glutamato, y es el cetoglutarato el aceptor de todos los grupos amino. El glutamato entra después en distintas rutas biosintéticas o bien en una serie de reacciones por las que se forma y después se excretan los productos nitrogenados de desecho. Se crea el glutamato y no cualquier otro aminoácido porque existe una enzima asociada a él en el proceso oxidativo que, con gran velocidad, es capaz de eliminar su grupo amino y transformarlo en amoniaco para posteriormente excretarlo.

El proceso de desaminación tiene lugar en el hígado. Una vez formado el glutamato actúa sobre él la deshidrogenasa del glutamato (únicamente presente en la mitocondria), que precisa NAD+ como aceptor de los equivalentes de reducción y se transforma en NADH. En la reacción también interviene una molécula de agua. Como productos de esta reacción se encuentran cetoglutarato, amoniaco, NADH y protones. El amoniaco puede volver a recuperarse para incorporarlo a la síntesis de aminoácidos. En este caso, la deshidrogenasa del glutamato actúa en sentido inverso.

Los esqueletos carbonados de los aminoácidos se degradan por veinte rutas distintas, una por cada esqueleto carbonado distinto que forman los aminoácidos. Estas veinte rutas convergen para formar cinco productos que ingresan en el ciclo del ácido cítrico para que se puedan oxidar completamente a dióxido de carbono y agua. De los veinte aminoácidos, diez se degradan hasta el acetil coenzima A, cinco se convierten en el cetoglutarato, tres en succinil coenzima A, dos en oxalacetato y dos en fumarato.

De los diez aminoácidos que se degradan a acetil coenzima A, cinco lo hacen por la vía del piruvato. Estos cinco aminoácidos son treonina, glicina, serina, cisteína y alanina. La alanina produce piruvato directamente por una reacción de transaminación. La treonina, aminoácido de cuatro carbonos, se transforma en glicina, aminoácido de dos carbonos. La glicina puede seguir dos rutas; una lleva a transformarse en serina, aminoácido de tres carbonos, por adición de un grupo hidroximetilo; la otra consiste en la ruptura de la glicina por oxidación, para formar dióxido de carbono, amoniaco (NH3) y un grupo metileno (CH2). Esta es la ruta principal de degradación de la glicina. La enzima que participa en el proceso es la sintasa de la glicina e interviene también una molécula de NAD+ que pasa a ser un NADH.

Los otros cinco aminoácidos que quedan se transforman en acetoacetil coenzima A, que después forma acetil coenzima A. Estos cinco aminoácidos son: fenilalanina, tirosina, lisina, triptófano y leucina.

Entre todas las rutas que se dan para oxidar estos aminoácidos cabe destacar la del triptófano. Es una ruta que consta de trece etapas. Algunos de los precursores de las etapas de la ruta catalítica del triptófano se utilizan para la biosíntesis de moléculas importantes, entre ellas la serotonina (una neurohormona) y el ácido nicotínico (una vitamina).

Otra ruta importante es la de la degradación de la fenilalanina. Este aminoácido por un proceso de oxidación se transforma en tirosina, y ambos se degradan en dos fragmentos que pueden incorporarse al ciclo del ácido cítrico pero en diferentes sitios. Tanto la fenilalanina como la tirosina están formadas por nueve átomos de carbono. Cuatro de ellos forman acetoacetato libre, que después se convierte en acetil coenzima A y se incorpora al ciclo del ácido cítrico. Un segundo fragmento de otros cuatro átomos de carbono, tanto de la tirosina como de la fenilalanina, se recupera en forma de fumarato, que es también un intermediario del ciclo del ácido cítrico. El carbono que queda de los nueve que formaban cada una de las moléculas de los dos aminoácidos, se pierde en forma de dióxido de carbono. La fenilalanina después de convertirse en tirosina, se convierte en el precursor de la hormona tiroidea, la tiroxina, y también de otras hormonas como la adrenalina y la noradrenalina. La fenilalanina y la tirosina producen fumarato y acetoacetato. El fumarato es un intermediario en el ciclo del ácido cítrico y el acetoacetato se transforma en acetil coenzima A, que también entra en el ciclo.

Los cinco aminoácidos que se convierten en cetoglutarato son arginina, histidina, ácido glutámico, glutamina y prolina. La prolina y la arginina se transforman en un semialdehído glutámico, éste en glutamato y éste a su vez en cetoglutarato. La histidina y la guanina se transforman directamente en el glutamato y éste en el cetoglutarato.

Los esqueletos carbonados de la metionina, la isoleucina y la valina se degradan a succinil coenzima A, intermediario directo del ciclo del ácido cítrico. La isoleucina y la valina sufren una transaminación seguida de una descarboxilación oxidativa de los cetoácidos resultantes. Cuatro de los cinco carbonos de la valina se convierten en ácido succínico y lo mismo ocurre con los seis átomos de carbono que conforman la isoleucina. Los cetoácidos procedentes de la desaminación de estos tres aminoácidos sufren una descarboxilación oxidativa catalizada por un complejo enzimático llamado la deshidrogenasa del sistema de los cetoácidos. La valina, metionina e isoleucina dan propionil coenzima A, que genera metilmalonil coenzima A, y ésta, a su vez, origina un intermediario del ciclo del ácido cítrico, el succinil coenzima A.

La asparagina y el ácido aspártico se incorporan al ciclo del ácido cítrico a través de la vía del oxalacetato. La asparagina se hidroliza y da aspartato y amoniaco. El aspartato después cede su grupo amino al cetoglutarato y éste, por una reacción de transaminación, da glutamato. Además del glutamato, se obtiene un oxalacetato que es el esqueleto que queda de la asparagina. El oxalacetato se incorpora al ciclo del ácido cítrico.

Durante todas estas reacciones se transfieren electrones que son aprovechados para formar ATP por fosforilación oxidativa y de este modo contribuye la oxidación de los aminoácidos a generar energía para el organismo.

No obstante, hay aminoácidos que pueden convertirse en glucosa y otros en cuerpos cetónicos. Los aminoácidos que pueden convertirse en cuerpos cetónicos en el hígado son los mismos que se degradan a acetoacetil coenzima A; es decir, la fenilalanina, la tirosina, la leucina, el triptófano y la lisina. Son los aminoácidos cetogénicos. El acetoacetil coenzima A puede convertirse en acetoacetato y beta-hidroxibutirato. Ambos compuestos junto con la acetona forman los cuerpos cetónicos. Los acetoacetatos y los beta-hidroxibutiratos son transportados por la sangre hasta los tejidos periféricos en donde se oxidan en el ciclo del ácido cítrico. La tiolasa concentrada en el hígado recoge las moléculas de acetil coenzima A y forma acetoacetil coenzima A y coenzima A libre. El acetoacetato se escinde después dejando su coenzima A libre también, en una secuencia de dos reacciones. El acetoacetato, por acción de la deshidrogenasa del beta-hidroxibutirato, es transformado en beta-hidroxibutirato. Esta enzima requiere la presencia de una molécula de NADH la cual queda en forma NAD+. El acetoacetato es también precursor de la acetona.

El sentido de estas transformaciones en cuerpos cetónicos, es el de desviar algo de la acetil coenzima A que se acumulaba en el hígado a los tejidos, en forma de cuerpos cetónicos, donde sufrirán una oxidación hasta llegar a dióxido de carbono y agua. Así se distribuye combustible al organismo desde el hígado.

Los aminoácidos que se oxidan a piruvato, cetoglutarato, succinato y oxalacetato, en total quince, pueden convertirse en glucosa y glucógeno. Reciben el nombre de aminoácidos glucogénicos. Tanto el piruvato como los intermediarios del ácido cítrico pueden reaccionar dando fosfoenolpiruvato. Este compuesto forma parte de una ruta llamada gluconeogénesis, mediante la cual se puede sintetizar glucosa y glucógeno. La gluconeogénesis es una ruta anabólica, que emplea energía química en forma de ATP y de NADH para sintetizar compuestos celulares importantes a partir de moléculas precursoras. El anabolismo y el catabolismo corren parejos en las múltiples reacciones metabólicas que se dan en nuestro organismo, de tal manera que la degradación de unos compuestos rinde energía y precursores que sirven para la biosíntesis de otros.

Atendiendo a todo lo expuesto, cabe destacar que el dióxido de carbono y el amoniaco son compuestos tóxicos para el organismo, por tanto deben ser eliminados. En los animales acuáticos se eliminan directamente y se expulsan al agua. En los mamíferos y otros animales se lleva a cabo un proceso denominado ureogénesis, mediante el cual se eliminan estos compuestos. La ureogénesis consiste en unir una molécula de dióxido de carbono, una de agua y dos de amoniaco, para formar carbonato amónico. El carbonato amónico es descompuesto en el hígado formando urea-agua. La urea es eliminada por la orina.

Se puede resumir el catabolismo de los aminoácidos de la siguiente manera. Los aminoácidos pueden sufrir una desaminación, la cual lleva a la formación de amoniaco y cetoácidos, y estos a la formación de acetil coenzima A, que se oxida para dar energía en forma de ATP, además de dióxido de carbono y agua. El acetil coenzima A también puede utilizarse en la biosíntesis de glúcidos y grasas. Los aminoácidos pueden sufrir también una descarboxilación que conduce a la formación de moléculas de dióxido de carbono que, junto con el amoniaco formado en la desaminación de los aminoácidos, forman la urea para excretar esos productos tóxicos (dióxido de carbono y amoniaco) al exterior. Conviene destacar que la eliminación de amoniaco en forma de urea es un mecanismo bioquímico propio de los mamíferos y de los anfibios. En los reptiles, aves y muchos invertebrados terrestres, la eliminación del amoniaco se lleva a cabo en forma de ácido úrico. Esta molécula se forma también en el catabolismo de las purinas.

Véase: Bioenergética.
La química, la fisica y los sistemas vivos en Vida.

Juan Cervantes y Yolanda Díaz

OXIDACIÓN BIOLÓGICA

Fuente: Britannica

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