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En este blog les vamos hablar acerca del proceso que mantiene la vida en nuestro planeta. Las plantas terrestres, las algas de aguas dulces, marinas o las que habitan en los océanos realizan este proceso de transformación de la materia inorgánica en materia orgánica y al mismo tiempo convierten la energía solar en energía química.                                                      

¿ QUE ES LA FOTOSÍNTESIS ?

A diferencia de los animales, que necesitan diregir alimentos ya elaborados, las plantas son capaces de prodicir sus propios alimentos gracias a un proceso quimico denominado fotosintesis. para realizar la fotosintesis, las plantas disponen de un pigmento verde llamado clorofila que es el encargado de absorber la luz adecuada para realizar este proceso

ademas de las plantas, la fotosintesis tabienla realizan las algas verdes y cieetos tipos de bacterias. Estos seres capaces de producir su propio aimento, se les conoce como autotrofos.

La fotosintesis es un proceso que se encarga de transformar la energia solar a energia quimica. consiste, en la elaboración de azucares a partir del CO2, minerales y agua a través de la luz solar

Clorofila y otros Pigmentos 

Un pigmento es cualquier sustancia que absorbe luz. El color de un pigmento es el resultado de la longitud de onda reflejada (no absorbida ). La clorofila, el pigmento verde de todas las células fotosintéticas, absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible excepto el verde, el cual es reflejado y percibido por nuestros ojos. Un cuerpo negro absorbe todas las longitudes de onda que recibe. El pigmento blanco o colores claros reflejan todo o casi todas las longitudes de onda. Las sustancias coloreadas tienen su espectro de absorción característico, que es el patrón de absorción de un pigmento dado.

La clorofila es una molécula compleja, formada por cuatro anillos pirrólicos, un átomo de magnesio y una cadena de fitol larga (C20H39OH).

En las plantas y otros organismos fotosintéticos existen diferentes tipos de clorofilas. La clorofila a se encuentra en todos los organismos fotosintéticos (plantas, ciertos protistas, proclorobacterias y cianobacterias). Los pigmentos accesorios absorben energía que la clorofila es incapaz de absorber. Los pigmentos accesorios incluyen clorofila b (en algas y protistas las clorofilas c,d y e), xantofila(amarilla) y caroteno, anaranjado ( como el beta caroteno, un precursor de la vitamina A ). La clorofila a absorbe las longitudes de ondas violeta, azul, anaranjado- rojizo, rojo y pocas radiaciones de las longitudes de onda intermedias ( verde-amarillo-anaranjado ).

Los pigmentos accesorios actúan como antena, conduciendo la energía que absorben hacia el centro de reacción. Una molécula de clorofila en el centro de reacción puede transferir su excitación como energía útil en reacciones de biosíntesis.

Los carotenoides absorben la longitud de onda azul y un poco en el verde, estos pigmentos tienden a ser rojos, amarillos o anaranjados. La clorofila b absorbe en el azul, y en el rojo y anaranjado del espectro ( con longitudes de ondas largas y baja energía ). La parte media del espectro compuesta por longitudes de onda amarilla y verde es reflejada y el ojo humano la percibe como verde. La distribución de los organismos fotosintéticos en el mar se debe a esto. La longitud de onda corta (más energética ) no penetra más allá de 5 métros de profundidad. La habilidad de absorber parte de la energía de longitud de onda larga (menos penetrante ) debe haber sido una ventaja para las algas fotosintéticas primitivas, que eran incapaces de encontrarse todo el tiempo en la zona superior ( fótica) del mar. Las algas verdes y pardas se instalan en la zona litoral superior, en tanto que en la zona profunda predominan las algas rojas.

Podemos decir que, el espectro de acción de la fotosíntesis es la eficiencia relativa en la generación de una respuesta biológica en función de la longitud de onda, de los diferentes colores, como por ejemplo la liberación de oxígeno. Mediante el estudio de los espectros de acción se descubrió, la existencia de dos fotosistemas en organismos que liberan O2 fotosintéticamente.

Cuando la clorofila absorbe energía luminosa pueden ocurrir tres cosas: l) que la energía sea atrapada y convertida en energía química como en la fotosíntesis, 2) que se disipe como calor, 3) que sea emitida inmediatamente como una longitud de onda mayor con perdida de energía como fluorescencia. La clorofila es capaz de disparar una reacción química cuando se encuentra asociada a proteínas inmersas o embebidas en la membrana de los tilacoides de los cloroplastos, o en las membranas plegadas que se encuentran en organismos procariotes fotosintéticos, como son las cianobacterias y las proclorobacterias.

FASES

Fase primaria o lumínica

La fase lumínica de la fotosíntesis es una etapa en la que se producen reacciones químicas con la ayuda de la luz solar y la clorofila.

La clorofila es un compuesto orgánico, formado por moléculas que contienen átomos de carbono, de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y magnesio.

Estos elementos se organizan en una estructura especial: el átomo de magnesio se sitúa en el centro rodeado de todos los demás átomos. La clorofila capta la luz solar, y provoca el rompimiento de la molécula de agua (H 2 O), separando el hidrógeno (H) del oxígeno (O); es decir, el enlace químico que mantiene unidos al hidrógeno y al oxígeno de la molécula de agua, se rompe por efecto de la luz.

El proceso genera oxígeno gaseoso que se libera al ambiente, y la energía no utilizada es almacenada en moléculas especiales llamadas ATP . En consecuencia, cada vez que la luz esté presente, se desencadenará en la planta el proceso descrito.

Fase secundaria u oscura

La fase oscura de la fotosíntesis es una etapa en la que no se necesita la luz, aunque también se realiza en su presencia. Ocurre en los cloroplastos y depende directamente de los productos obtenidos en la fase lumínica.

En esta fase, el hidrógeno formado en la fase anterior se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO 2 ) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos ; es decir, compuestos cuyas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.

Dicho proceso se desencadena gracias a una energía almacenada en moléculas de ATP que da como resultado el carbohidrato llamado glucosa (C 6 H I2 O 6 ) , un tipo de compuesto similar al azúcar, y moléculas de agua como desecho.

Después de la formación de glucosa, ocurre una secuencia de otras reacciones químicas que dan lugar a la formación de almidón y varios carbohidratos más.

A partir de estos productos, la planta elabora lípidos y proteínas necesarios para la formación del tejido vegetal, lo que produce el crecimiento.

Cada uno de estos procesos no requiere de la participación de luz ni de la clorofila, y por ende se realiza durante el día y la noche. Por ejemplo, el almidón producido se mezcla con el agua presente en las hojas y es absorbido por unos tubitos minúsculos que existen en el tallo de la planta y, a través de éstos, es transportado hasta la raíz donde se almacena. Este almidón es utilizado para fabricar celulosa , el principal constituyente de la madera.

El resultado final, y el más trascendental, es que la planta guarda en su interior la energía que proviene del Sol. Esta condición es la razón de la existencia del mundo vegetal porque constituye la base energética de los demás seres vivientes.

Por una parte, las plantas son para los animales fuente de alimentación, y, por otra, mantienen constante la cantidad necesaria de oxígeno en la atmósfera permitiendo que los seres vivos puedan obtener así la energía necesaria para sus actividades.

Si los químicos lograran reproducir la fotosíntesis por medios artificiales, se abriría la posibilidad de capturar energía solar a gran escala. En la actualidad se trabaja mucho en este tipo de investigación. Todavía no se ha logrado sintetizar una molécula artificial que se mantenga polarizada durante un tiempo suficiente para reaccionar de forma útil con otras moléculas, pero las perspectivas son prometedoras.

¡ CICLO DE CALVIN !

En el ciclo de Calvin se utilizan seis moléculas de CO₂ las cuales son utilizadas para generar una molécula de glucosa. En estas reacciones cada una de las moléculas de CO₂ es unida a una molécula aceptora, ribulosa-1-5-bifosfato (RuBP), que a continuación se rompe en dos moléculas de 3-fosfoglicerato, siendo catalizada por la enzima Rubisco (con la energía de ATP y NADHP). El ATP producido durante las reacciones luminosas de la fotosíntesis cede grupos fosfato a estas moléculas, dando lugar a 1,3-difosfoglicerato; al mismo tiempo el NADPH cede electrones a estas moléculas de tres carbonos, dando lugar a gliceraldehido-3-fosfato. Una parte del gliceraldehido-3-fosfato es utilizado para fabricar el azúcar de 6 carbonos de glucosa, entre otros productos de la fotosíntesis. Otra parte del gliceraldehido-3-fosfato es utilizado en conjunto de una molécula de ATP, para generar el aceptor de CO₂ ribulosa-1,5-bifosfato y comenzar el ciclo de nuevo.

A cada vuelta completa del ciclo, una molécula de dióxido de carbono entra en el ciclo y es reducida, presentando regeneración de una molécula de RuBP.

Seis vueltas del ciclo, con la introducción de seis átomos de carbono, son necesarios para producir un azúcar de seis carbonos, tal como la glucosa. La ecuación general para la producción de una molécula de glucosa es:

6CO₂ + 12NADPH + 12H⁺ + 18ATP —> C₆H₁₂O₆ + 12NADP⁺ + 18ADP + 18Pi + 6H₂O

El producto del ciclo es el gliceraldehído 3-fosfato, la molécula primaria transportada del cloroplasto hacia el citoplasma de la célula. Esta misma triasa fosfato (triasa significa un azúcar de tres carbonos) es formada cuando la molécula de fructuosa 1.6 bifosfato es rota en la cuarta etapa de la glucólisis y es inconvertible con otra triasa fosfato, la dihidroxiacetona.

Utilizando la  proveniente de la hidrólisis de enlaces fosfato, las primeras cuatro etapas de la glucólisis pueden ser revertidas para formar glucosa a partir del gliceraldehído 3-fosfato.

Entre otras funciones, cada 3 vueltas en el ciclo, una molécula de triosa fosfato es regenerada a partir de 3 moléculas de CO₂. La triosa fosfato puede es utilizada para la síntesis de almidón.

Factores que condicionan la Fotosíntesis

Se ha podido comprobar experimentalmente que en el rendimiento de la fotosíntesis influyen los

siguientes factores:

· La intensidad luminosa: Cada

especie está adaptada a vivir dentro de un intervalo de intensidad luminosa.

Hay especies de penumbra y especies fotófilas. Dentro de cada intervalo, a

mayor intensidad luminosa, mayor rendimiento, hasta superar cierto límite, en

los que se produce la footooxidación irreversible de los pigmentos fotosintéticos.

cálidos), presentan mayor rendimiento que las plantas C3, y nunca llegan a la

Para la misma intensidad luminosa, las plantas C4 (adaptadas a climas secos y

saturación lumínica.

· La concentración de CO2: Si la

intensidad luminosa es elevada y constante, el rendimiento del proceso

fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de CO2 en el

aire, hasta llegar a un cierto valor, a partir del cual el rendimiento se

estabiliza.

· El tiempo de iluminación: Hay

especies en las que, a mas horas de luz, más producción fotosintética tienen.

Otras, en cambio, precisan alternarlas con horas de oscuridad.

· La temperatura: Cada especie

está adaptada a vivir en un intervalo de temperaturas. Dentro de él, la

eficacia del proceso aumenta con la temperatura, debido a la mayor movilidad de

las moléculas, en la fase oscura, hasta llegar a una temperatura en que se

disminuye.

inicia la desnaturalización de las enzimas, y el rendimiento lógicamente

concentración de O2: Cuanto mayor es la concentración de oxígeno en el aire,

menor es el rendimiento fotosintético, debido a los procesos de

fotorrespiración.

· La escasez de

agua: La escasez de agua en el suelo y vapor de agua en el aire disminuye el

rendimiento fotosintético. Ello es debido a que ante la falta de agua, se

entrada de CO2 se ve dificultada. Además, el aumento de la concentración de

cierran los estomas para evitar la desecación de la planta, y entonces la

oxígeno interno provoca la fotorrespiración. Ello explica que, en estas

condiciones, las plantas C4 sean más eficaces que las C3.

: · El color de

la luzla clorofila a y la clorofila B absorben energía lumínica en la región

azul y roja del espectro; los carotenos y xantofilas, en la azul; las

ficocianinas, en la región anaranjada; y las ficoeritrinas, en la verde. Todos

estos pigmentos pasan la energía a las moléculas blanco. La luz monocromática

menos aprovechable en los organismos que carecen de ficocianinas y

roja estimula la síntesis de ficocianina, y la luz verde la de ficoeritrina. Si

ficoeritrinas es la luz verde. En las cianofíceas, que si las poseen, la luz

la longitud de onda es superior a 680 nm (rojo lejano), no actúa el PSII y, en

disminuye sensiblemente

consecuencia, solo hay fase luminosa cíclica, y el rendimiento fotosintético

                               

                                                  

BIOQUIMICA de la Fotosíntesis

Desde el punto de vista bioquímico, la fotosíntesis se lleva a cabo principalmente dentro de los cloroplastos de las células de plantas, algas, organismos unicelulares, o bien, dentro de una bacteria fotosintética.

Un factor fundamental para que este proceso pueda llevarse a cabo es la luz, ésta es captada por las plantas a través de la clorofila y de otros pigmentos fotosintéticos, al observar diversas plantas en un bosque se puede notar que no todas tienen el mismo color

Algunas plantas son:

-Verde

-Verde oscuro

-Verde claro

-Amarillas

-Rojizas

-Pardas.

Lo anterior se debe a la diversidad de pigmentos y a la proporción en que se encuentren en cada una de ellas, los pigmentos fotosintéticos son:

-La clorofila a

-La clorofila b (verdes)

-Los carotenos (rojos, naranjas)

-Las xantofilas (amarillas)

-La ficocianina (azul)

-La ficoeritrina (roja)

-La bacterioclorofila, que está en las bacterias fotosintéticas.

Para saber la razón de porque tantos pigmentos, es necesario saber algunas propiedades de la luz, si se pasa un haz de luz por un prisma, ésta se descompone en varios colores o, más propiamente dicho, en luz con diversas longitudes de onda.

La clorofila capta ciertas longitudes de onda, principalmente las que corresponden al violeta y al azul, y también al rojo, con esto tenemos que la clorofila entonces es verde porque refleja y no absorbe la luz verde, así como los distintos pigmentos absorben energía luminosa de distintas longitudes de onda y se la transfieren a la clorofila 

Esto aumenta la eficiencia del proceso, es como por ejemplo contar con un equipo de antenas para captar distintas señales de televisión.

En los cloroplastos, los distintos pigmentos se encuentran formando complejos de antena llamados fotosistemas I y II, en los que predomina la clorofila a, la cual forma el centro de reacción.

El proceso fotosintético se inicia cuando las moléculas de clorofila captan la luz, se debe considerar que la fotosíntesis se divide en dos etapas o fases: 

Fase luminosa o dependiente de la luz.

En la primera fase, los fotones o cuantos de luz excitan a los electrones de la clorofila del fotosistema II y los elevan a un nivel altamente energético.

Este proceso hace que salgan del complejo en el que estaban y viajen hacia las moléculas del fotosistema I

El regresar lentamente a su estado basal de energía, estos electrones impulsan la síntesis de ATP  en las membranas del tilacoide de los cloroplastos.tilacoide concepto

Se debe mencionar que cuando se inicia el proceso, ha quedado un hueco en la molécula de clorofila del fotosistema II que perdió un electrón.

Entonces se requiere de un donador de electrones y la molécula de agua cubre este requerimiento.

Con esto se produce un proceso de fotólisis, es decir, la molécula de agua se rompe por la acción de la luz y es entonces cuando se libera oxígeno.

Los Iones H+ son captados por una molécula acarreadora, el NADPH (nicotiamida adenina dinucleótido fosfato), y los electrones cubren los huecos de la clorofila.nadph concepto nicotiamida adenina dinocleotido fosfato

A manera de resumen, en esta fase se llevan a cabo los siguientes procesos:

-Se excitan los electrones de la clorofila por efecto de la Iuz

-Se produce ATP (para utilizarse en la fase oscura)

-Se rompe la molécula de agua

-Se libera oxígeno al ambiente

-Se produce NADPH (para utilizarse en la fase oscura)

En el siguiente esquema se puede observar lo que pasa en la fase luminosa o dependiente de la luz del proceso fotosintético

Fase oscura o independiente de la luz

En esta fase de la fotosíntesis no se lleva a cabo en la oscuridad, ni de noche, se llama así porque cuando se inicia esta etapa ya se ha atrapado la energía solar en los enlaces del ATP y en el NADPH, de manera que el proceso ya no depende de la luz para realizarse

Los ingredientes para elaborar una molécula de azúcar ya están listos y se llevan a cabo varias reacciones clínicas conocidas como ciclo de Calvin, en honor a su descubridor

Para que esta etapa se lleve a cabo requiere de tres reactivos:

-ATP (producido en la fase luminosa)

-NADPH (producido en la fase luminosa)

-CO2 (que la planta absorbe del aire)

Este proceso se lleva a cabo en tres etapas:

Primera etapa

A esta etapa se le conoce como fijación del carbono

El CO2 se combina con un compuesto de cinco carbonos llamado ribulosa difosfato (RDP) y se produce una molécula de seis carbonos.

Esta molécula es inestable, se rompe y da lugar a dos moléculas de ácido fosfoglicérico (PGA)

En cada ciclo entran tres moléculas de CO2 por lo que se producen seis moléculas de PGA

Segunda etapa:

A partir del PGA, con el ATP y los hidrógenos del NAPDH se producen seis moléculas de fosfogliceraldehído (PGAL)

Tercera etapa

Cinco moléculas de PGAL regeneran la ribulosa difosfato y una es utilizada para la síntesis de glucosa.

Para la producción de una molécula de glucosa se necesitan dos vueltas del ciclo.

Las reacciones se describen en el siguiente esquema, donde se señala la producción de glucosa, posteriormente, ésta puede ser transformada en la planta en sacarosa, almidones y otras biomoléculas, que serán aprovechadas por la misma planta como fuente de energía, así como por los animalesproduccion de glucosa 

¿ Cómo se produce la fotosíntesis ?

La fotosíntesis se produce principalmente en las hojas de las plantas, aunque en menor proporción puede producirse en los tallos, especialmente en algunas plantas que han sufrido adaptaciones, como los cactus o las plantas crasas.

Las hoja consta fundamentalmente de las siguientes partes:

- Epidermis: La epidermis es la capa externa de la hoja que la cubre tanto por el haz como por el envés.

- Mesófilo : El mesófilo es la capa media de la hoja.

- Los haces vasculares: Son los canales que, en forma de venas, permiten el transporte de substancias nutritivas y agua.

- Los estomas: Son una especie de agujeros o válvulas que permiten el intercambio de gases entre el interior de la hoja y el medio exterior.

El proceso de fotosíntesis se lleva a cabo en la capa media de la hoja o mesófilo, en donde se hallan los órganos especializadas en este proceso llamados cloroplastos. Los cloroplastos constan fundamentalmente de una membrana externa, una membrana interna y de una serie de sacos, llamados tilacoides, en cuyas membranas se forma la clorofila u otros pigmentos. Los tilacoides aparecen agrupadas en columnas verticales llamadas granas. El espacio restante interior de los cloroplastos queda cubierto por un fluido llamado estroma.

La reacción se produce en las membranas de los tilacoides donde se encuentran los pigmentos que son capaces de absorber las diferentes longitudes de onda de la luz. Esta absorción de la luz produce una reacción química cuando la energía de los fotones descompone el agua y libera oxígeno, protones y electrones. Los electrones se utilizan para sintetizar dos moléculas encargadas de almacenar y transportar energía : la ATP (Adenosin Trifosfato o Trifosfato de adenosina) y NADP (Nicotiamida-Adenina Dinucleotido fosfato) .

Estas dos moléculas se utilizarán en la siguiente fase de la fotosíntesis para trasformar el dióxido de carbono (C02) y el agua ( H2 0) para la producción de materia orgánica. ( hidratos de carbono)

La fase de fijación del dióxido de carbono o Ciclo de Calvin no se lleva a cabo en los tilacoides sino en el estroma. Durante este ciclo el dióxido de carbono y el ATP consiguen formar el primer compuesto orgánico en forma de moléculas de gliceraldehido-3-fosfato una molécula que contiene tres átomos de carbón, a partir de las cuales se forman los hidratos de carbono. En la mayoría de las plantas el Ciclo de Calvin esta ligado a la fase fotoquímica de manera que las plantas se regulan a través de encimas para que ambos procesos se produzcan a la vez. Las plantas que siguen este proceso se denominan plantas C3

Plantas C4

Una excepción a este tipo de plantas lo constituyen las llamadas plantas llamadas C4 y las plantas CAM o de metabolismo ácido. Las plantas C 4 consiguen mediante una enzima especial añadir un paso más al ciclo de Calvin y elaboran previamente al gliceraldehido-3-fosfato una molécula que contiene 4 átomos de carbono, llamada oxaleacetato . De ahí que se las conozca como plantas C4. Con ello consiguen superar la eficacia de la fotosíntesis en condiciones de baja cantidad de agua disponible.

El agua es necesaria para poder metabolizar el CO2. ( En el metabolismo de las plantas C3, por cada molécula de agua y por cada cuatro fotones se forman media molécula de oxígeno, 1,3 moléculas de ATP, y un NADPH + H+.) Cuando las plantas C3 detectan la falta de agua en el suelo, tal como ocurre en el verano , cierran los estomas y detienen el proceso de fotosíntesis.

Las plantas C4 pueden seguir trabajando porque consiguen realizar la fotosíntesis con bajos niveles de CO2. Pertenecen a este grupo plantas una serie de vegetales procedentes de zona cálidas y secas, tales como el maíz, el sorgo, el mijo, la caña de azúcar o la grama. Esta es la razón por la cual la grama, por ejemplo, es tan resistente a la sequía.

Plantas CAM o plantas de metabolismo ácido

Las plantas Cam consiguen fijar el CO2 por la noche dado que durante el día permanecen con los estomas cerrados para evitar la pérdida de agua.

El particular proceso fotosintético que llevan a cabo las plantas crasas, entre las que se encuentran los cactos, explica como estas plantas han evolucionado para soportar condiciones de sequedad ambiental extraordinarias. La mayoría de los vegetales en el proceso de la fotosíntesis necesitan abrir los estomas para absorber dióxido de carbono y expulsar oxígeno,con la consecuente perdida de agua por transpiración. Los cactus solamente abren los estomas por la noche, par evitar la deshidratación. Así pues el intercambio de gases se realiza en la oscuridad.

Los cactus expulsan el oxígeno a la atmósfera y absorben dióxido de carbono, que se mantiene en forma de ácido (generalmente ácido málico) hasta la mañana siguiente cuando la planta , en presencia de la luz solar, realizará la función clorofílica y extraerá el dióxido de carbono del ácido para transformarlo en azúcar. Este proceso se denomina C.A.M (En ingles = Crassulean Acid Metabolism) porque fue observado por primera vez con las crasuláceas.

¿ Por qué es tan importante la fotosíntesis ?

La fotosíntesis es importante porque :

El Resultante de este proceso, es el oxígeno., un producto de deshecho, que proviene de la descomposición del agua. El oxígeno, que se forma por la reacción entre el CO2 y el agua, es expulsado de la planta a través de los estomas de las hojas.

Las plantas han tenido y tienen un papel fundamental en la historia de la vida sobre la Tierra. Ellas son las responsables de la presencia del oxígeno, un gas necesario para la mayoría de seres que pueblan actualmente nuestro planeta y que lo necesitan para poder respirar. Pero esto no fue siempre así. En un principio la atmósfera de la Tierra no tenía prácticamente oxígeno y era especialmente muy rica en dióxido de carbono (CO2), agua en forma de vapor ( H2O), y nitrógeno (N). Este ambiente hubiera sido irrespirable para la mayoría de las especies actuales que necesitan oxígeno para poder vivir.

Los primeros seres vivos no necesitaban oxígeno para poder respirar. Al contrario, este gas constituía un veneno para ellos. Fueron ciertas bacterias, junto con las plantas, las que, hace más de 2000 millones de años empezaron a iniciar el proceso de la fotosíntesis, transformando la atmósfera y posibilitando la vida tal como se conoce en la actualidad.

El proceso de fotosíntesis es de gran importancia, ya que gracias a él la energía lumínica se transforma en energía química en la síntesis de la glucosa, que es la fuente de alimento de los vegetales mismos y de los primeros organismos consumidores de la cadena alimentaria (herbívoros).

Los herbívoros son la fuente de alimento de los carnívoros y de esta forma se originan las relaciones de dependencia entre los organismos que componen las redes alimentarias.

                                        




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