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Multiscale Modeling of Thiol Overoxidation in Peroxiredoxins by Hydrogen Peroxide
Full text linkIn this work, we employ a multiscale quantum-classical mechanics (QM/MM) scheme to investigate the chemical reactivity of sulfenic acids toward hydrogen peroxide, both in aqueous solution and in the protein environment of the peroxiredoxin alkyl hydroperoxide reductase E from Mycobacterium tuberculosis (MtAhpE). The reaction of oxidation of cysteine with hydrogen peroxides, catalyzed by peroxiredoxins, is usually accelerated several orders of magnitude in comparison with the analogous reaction in solution. The resulting cysteine sulfenic acid is then reduced in other steps of the catalytic cycle, recovering the original thiol. However, under some conditions, the sulfenic acid can react with another equivalent of oxidant to form a sulfinic acid. This process is called overoxidation and has been associated with redox signaling. Herein, we employed a multiscale scheme based on density function theory calculations coupled to the classical AMBER force field, developed in our group, to establish the molecular basis of thiol overoxidation by hydrogen peroxide. Our results suggest that residues that play key catalytic roles in the oxidation of MtAhpE are not relevant in the overoxidation process. Indeed, the calculations propose that the process is unfavored by this particular enzyme microenvironment.Fil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Battistini, F.. Barcelona Institute of Science and Technology; EspañaFil: Radi, R.. Universidad de la República; UruguayFil: Trujillo, M.. Universidad de la República; UruguayFil: Zeida, A.. Universidad de la República; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
Reactivity of sulfur species of biochemical interest
No full textLa oxidación de compuestos celulares que contienen tioles, como el glutatión (GSH) o cisteínas (Cys) proteicas por especies reactivas del oxígeno, juega un papel importante en una amplia variedad de procesos biológicos incluyendo la transducción de señales, la regulación de enzimas, canales proteicos, factores de transcripción y respuestas antioxidantes. Diversos peróxidos como el peróxido de hidrógeno (H2O2) o el ácido peroxinitroso (ONOOH) se producen en muchos tipos de células como respuesta a una variedad de estımulos y podrıan funcionar como mensajeros intracelulares ubicuos. La oxidación de tioles por hidroperóxidos (R’OOH), da lugar a la forma sulfénico (RSOH), que a su vez,puede reaccionar con otro tiol para dar lugar a un disulfuro (RSSR). Si la reacción se da en cambio con sulfuro de hidrógeno (H2S) como nucleófilo, el producto es la especie persulfuro (RSSH). Los persulfuros presentan una química con un amplio abanico de posibilidades. Además de exhibir electrofilicidad gracias a su azufre interno, los persulfuros pueden reaccionar como nucleófilos de forma análoga a los tioles, en la que el átomo de azufre del extremo ataca un electrófilo, como podrıa ser un hidroperóxido. Se ha propuesto que los persulfuros son nucleófilos y ácidos más fuertes que los tioles,y que son los responsables de los efectos biológicos inicialmente adjudicados al H2S. Por otro lado, dependiendo de las condiciones, la especie RSOH puede reaccionar con otro equivalente de hidroperóxido para formar la especie ácido sulfínico (RSO2H). De las reacciones mencionadas, la primera de ellas fue ampliamente estudiada tanto por el grupo de trabajo como por la comunidad científica en general, desde el punto de vista teórico y experimental. El resto, desde la reacción de la forma sulfénico con H2S para dar persulfuros, la reactividad de los persulfuros, y la eventual sobre oxidación de la forma sulfénico para dar lugar a la forma sulf ́ınico, son campos de estudio aún en crecimiento, siendo esta tesis un aporte a los mismos. Esta tesis tiene como objetivo aportar información termodinámica y cinética referente a la reactividad de las especies tiol (RSH,ácido sulfénico (RSOH) y persulfuro (RSSH). Para tal fin se empleó una combinación de técnicas de simulaciones computacionales clásicas, cuánticas e híbridas cuántico-clásicas, en combinación con estudios experimentales para la determinación de constantes cinéticas y/o energías libres de activación. Esta tesis está organizada de la siguiente manera: Comenzaremos presentando el estudio de la formación de especie sulfínico, es decir, la sobre oxidación del tiol. Esta reacción representa una alternativa a la formación de la especie persulfuro, que podría tener lugar o no dependiendo de las condiciones. Aquí empleamos un conjunto de herramientas computacionales para estudiar el mecanismo de la reacción del reactivo aislado, en solución acuosa y en particular en el ambiente proteico del sitio activo de la alquil hidroperóxido reductasa E de Mycobacterium tuberculosis (MtAhpE), una peroxidasa dependiente de tioles de la familia de las peroxirredoxinas. Finalmente, también se llevó a cabo la determinación experimental de la energía libre de activación de la reacción en MtAhpE, estudiando la variación de su constante de velocidad con la temperatura. El siguiente capítulo centra su atención en la especie persulfuro y se basa en el estudio de su reactividad nuclefılica frente a distintos electrófilos. Este capıtulo incluye el desarrollo de un método de cuantificación de persulfuro de glutation en una mezcla con otras especies de azufre, la determinación de su pKa y la de las constantes de velocidad de su reacción con H2O2, ONOOH y el alquilante monobromo bimano. En cada caso, las simulaciones dan soporte a los resultados experimentales y viceversa, permitiendo obtener una interpretación microscópica, racionalizando los resultados en términos de bases moleculares. Finalmente, teniendo como motivación la necesidad de simular el complejo mecanismo de la formación de persulfuros, en el que las moléculas de agua del solvente intervienen quımicamente, presentamos en el último capıtulo un desarrollo metodológico: la implementación en un código propio para la determinación de caminos de mınima energıa libre sin la necesidad de seleccionar a priori una coordenada de reacción. Este capítulo comienza con un estudio de sistemas modelo, y culmina con la aplicación del método a la reacción de formación de persulfuros. Como un todo, esta tesis aporta conocimiento a un conjunto de reacciones que especies de bajo peso molecular y proteicas que contiene azufre experimentan, empleando una combinación de simulaciones computacionales y experimentos.The oxidation of cellular compounds that contain thiols, such as glutathione (GSH) or protein cysteines (Cys) by reactive oxygen species, plays an important role in a wide variety of biological processes including signal transduction, enzymes regulation, protein channels, transcription factors and antioxidant responses. Various peroxides such as hydrogen peroxide (H2O2) or peroxynitrous acid (ONOOH) are produced in many cell types in response to a variety of stimuli and could function as ubiquitous intracellular messengers. The oxidation of thiols by hydroperoxides (R’OOH), gives rise to the sulfenic form (RSOH), which in turn can react with another thiol to form disulfide (RSSR). If the reaction instead occurs with hydrogen sulfide (H2S) as the nucleophile, the product is the persulfide species (RSSH). Persulfides present a chemistry with a wide range of possibilities. In addition to exhibiting electrophilicity thanks to the inner sulfur atom, persulfides can react as nucleophiles in a way analogous to thiols, in which the sulfur atom at the end attacks an electrophile, such as a hydroperoxide. It has been proposed that persulfides are stronger nucleophiles and acids than thiols, and that they are responsible for the biological effects initially attributed to H2S. On the other hand, depending on the conditions, the RSOH species can react with another equivalent of hydroperoxide to form the sulfinic acid species (RSO2H). Along the mentioned reactions, the first of them has been widely studied both by our group and by the scientific community in general, from theoretical and experimental points of view. The rest, from the reaction of the sulfenic form with H2S to yield persulfides, the reactivity of persulfides, and the eventual overoxidation of the sulfenic form to form the sulfinic form, are still growing research areas, this thesis being a contribution to them. This thesis aims to provide thermodynamic and kinetic information regarding the reactivity of thiol species (RSH), sulfenic acid (RSOH) and persulfide (RSSH). For this purpose, a combination of classical, quantum and hybrid quantum mechanics - molecular mechanics computational simulation techniques were employed, in combination with experimental studies for the determination of kinetic constants and/or activation free energies. This thesis is organized as follows: We will begin by presenting the study of the formation of the sulfinic species, that is, the overoxidation of thiol. This reaction represents an alternative to the formation of the persulfide species, which may or may not take place depending on the conditions. Here we use a set of computational tools to study the mechanism of the reaction for the isolated reactants, in aqueous solution and in particular in the protein environment of the active site of the alkyl hydroperoxide re- ductase E of Mycobacterium tuberculosis (Mt AhpE), a thiol dependent peroxidase from the peroxyredoxin family. Finally, the determination of the free energy of activation of the reaction in Mt AhpE was also carried out, studying experimentally the variation of its rate constant with temperature. The next chapter focuses on the persulfide species and it is based on the study of its nucleophilic reactivity against different electrophiles. This chapter includes the development of a method for the quantification of glutathione persulfide in a mixture with other sulfur species, the determination of its pKa and the determination of the rate constants of its reaction with H2O2, ONOOH and the alkyla- ting species monobromobimane. In each case, the simulations support the experimental results and vice versa, allowing a microscopic interpretation to be obtained, rationalizing the results in terms of the molecular basis that are often only accessible through simulations. Finally, having as motivation the need to simulate the complex mechanism of persulfide formation, in which the solvent water molecules participate chemically, we present in the last chapter a methodological development; the implementation of a in-home code for the determination of minimum free energy paths without the need of selecting a reaction coordinate a priori. This chapter begins with the study of model systems, and ends with the application of the method to the persulfide formation reaction. As a whole, this thesis provides insight into a set of reactions that low molecular weight and sulfur-containing protein species undergo, employing a combination of computational simulations and experiments.Fil: Semelak, Jonathan Alexis. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina
Computational evaluation of relevant species in inorganic sulfur biochemistry
No full textThe role of inorganic sulfur species in biological systems has gained considerable interest since the recognition of sulfanes, particularly dihydrogen sulfide or sulfane, H2S, disulfane, HSSH, trisulfane, HSSSH, and their conjugate bases, as endogenous species and mediators of signaling functions in different tissues. The one-electron oxidation of H2S/HS− has been assigned as the onset of signaling processes or oxidative detoxification mechanisms. These varied sulfur containing inorganic species are, together with organic counterparts, reunited as reactive sulfur species (RSS). In order to shed light on this rich and still not completely explored chemistry, we have performed electronic structure calculations at different levels of theory, to provide estimations and the molecular basis of the pKa values of the polysulfides HSSH and HSSSH and of the radical HS•. In addition, we also reported the characterization of selected inorganic RSS including both radical and non-radical species with different protonation states with the intention of assisting the interpretation of chemical/biochemical experiments involving these species.Fil: Palermo, Juan Cruz. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Córdova Naranjo, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Capece, Luciana. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Bari, Sara Elizabeth. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentin
Theoretical investigation of the mechanism of nitroxyl decomposition in aqueous solution
Full text linkNitroxyl (HNO) is a species that has been proposed recently to play different roles in nitrosative stress processes. HNO decomposition in aqueous solution leading to N2O is a fast reaction that competes with many biochemical reactions in which HNO may be involved. Since molecular determinants of this reaction are still not fully understood, we present in this work an exhaustive analysis of the mechanism in terms of electronic-structure calculations as well as state of the art hybrid quantum mechanics/molecular mechanics molecular dynamics simulations. We characterized the reaction mechanism and computed free energy profiles for the reaction steps using an umbrella sampling procedure. We propose a first dimerization step followed by an acid-base equilibria. Afterwards, the product is formed from two main pathways involving cis-hyponitrous acid (cis-HONNOH) and its conjugate basis as intermediate. Our calculations show preference for the anionic pathway under physiological conditions and allow us to rationalize the results in terms of a molecular description of specific interactions with the solvent. These interactions turn out to be determinant in the stabilization of transition states and, thereby, modifying the free energy barriers. We predict a strong pH-dependence of the overall kinetics of N2O formation, related with the fraction of reactive species available in solution. Finally, we suggest experimental procedures which could validate this mechanism.Fil: Bringas, Mauro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Química Inorgánica, Analítica y Química Física; Argentin
Catalytic Mechanism of Mycobacterium tuberculosis Methionine Sulfoxide Reductase A
Full text linkThe oxidation of Met to methionine sulfoxide(MetSO) by oxidants such as hydrogen peroxide, hypochlorite, orperoxynitrite has profound effects on protein function. Thismodification can be reversed by methionine sulfoxide reductases(msr). In the context of pathogen infection, the reduction ofoxidized proteins gains significance due to microbial oxidativedamage generated by the immune system. For example,Mycobacterium tuberculosis (Mt) utilizes msrs (MtmsrA andMtmsrB) as part of the repair response to the host-inducedoxidative stress. The absence of these enzymes makes Mycobacteriaprone to increased susceptibility to cell death, pointing them out aspotential therapeutic targets. This study provides a detailedcharacterization of the catalytic mechanism of MtmsrA using acomprehensive approach, including experimental techniques andtheoretical methodologies. Confirming a ping-pong type enzymatic mechanism, we elucidate the catalytic parameters for sulfoxideand thioredoxin substrates (k cat /K M = 2656 ± 525 M −1 s −1 and 1.7 ± 0.8 × 10 6 M −1 s −1 , respectively). Notably, the entropic natureof the activation process thermodynamics, representing ∼85% of the activation free energy at room temperature, is underscored.Furthermore, the current study questions the plausibility of a sulfurane intermediate, which may be a transition-state-like structure,suggesting the involvement of a conserved histidine residue as an acid−base catalyst in the MetSO reduction mechanism. Thismechanistic insight not only advances our understanding of Mt antioxidant enzymes but also holds implications for future drugdiscovery and biotechnological applications.Fil: Sastre, Santiago. Universidad de la Republica; UruguayFil: Manta Porteiro, Bruno. Universidad de la Republica; UruguayFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Trujillo, Madia. Universidad de la Republica; UruguayFil: Radi, Rafael. Universidad de la Republica; UruguayFil: Zeida, Ari. Universidad de la Republica; Urugua
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Acidity and nucleophilic reactivity of glutathione persulfide
Full text linkPersulfides (RSSH/RSS2) participate in sulfur trafficking and metabolic processes, and are proposed to mediate the signaling effects of hydrogen sulfide (H2S). Despite their growing relevance, their chemical properties are poorly understood. Herein, we studied experimentally and computationally the formation, acidity, and nucleophilicity of glutathione persulfide (GSSH/ GSS2), the derivative of the abundant cellular thiol glutathione (GSH). We characterized the kinetics and equilibrium of GSSH formation from glutathione disulfide and H2S. A pKa of 5.45 for GSSH was determined, which is 3.49 units below that of GSH. The reactions of GSSH with the physiologically relevant electrophiles peroxynitrite and hydrogen peroxide, and with the probe monobromobimane, were studied and compared with those of thiols. These reactions occurred through SN2 mechanisms. At neutral pH, GSSH reacted faster than GSH because of increased availability of the anion and, depending on the electrophile, increased reactivity. In addition, GSS2 presented higher nucleophilicity with respect to a thiolate with similar basicity. This can be interpreted in terms of the so-called a effect, i.e. the increased reactivity of a nucleophile when the atom adjacent to the nucleophilic atom has high electron density. The magnitude of the a effect correlated with the Brønsted nucleophilic factor, bnuc, for the reactions with thiolates and with the ability of the leaving group. Our study constitutes the first determination of the pKa of a biological persulfide and the first examination of the a effect in sulfur nucleophiles, and sheds light on the chemical basis of the biological properties of persulfides.Fil: Benchoam, Dayana. Universidad de la República; UruguayFil: Semelak, Jonathan Alexis. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Cuevasanta, Ernesto. Universidad de la República; UruguayFil: Mastrogiovanni, Mauricio. Universidad de la Republica; UruguayFil: Grassano, Juan S.. Universidad de Buenos Aires; ArgentinaFil: Ferrer-Sueta, Gerardo. Universidad de la Republica; UruguayFil: Zeida Camacho, Ari Fernando. Universidad de la Republica; UruguayFil: Trujillo, Madia. Universidad de la Republica; UruguayFil: Möller, Matías N.. Universidad de la Republica; UruguayFil: Estrin, Dario Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Química, Física de los Materiales, Medioambiente y Energía; ArgentinaFil: Alvarez, Beatriz. Universidad de la Republica; Urugua
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