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Clase 2:
Termodinámica
Catálisis Enzimática
Prof: Angélica Reyes J PhD.
Viernes 30 de marzo de 2012
Organización de la clase
•
•
•
•
•
•
Concepto de Energía → Metabolismo.
Leyes de la Termodinámica
El ATP y procesos energéticos celulares.
Reacciones acopladas
Catálisis enzimática
Importancia de las enzimas
VIDA
• La vida puede ser visto como un flujo
constante de energía de los organismos para
realizar el trabajo de: vivir, crecer,
reproducirce, respuesta a estímulos y
regulación interna.
Metabolismo
El conjunto de reacciones bioquímicas y procesos físico-químicos llevados a
cabo por los sistemas vivos por el cual adquieren y utilizan la energía para
llevar a cabo sus funciones: reproducirse, desarrollarse, mantener sus
estructuras y crecer,
Metabolismo
Metabolismo: todas las reacciones químicas llevadas a
cabo en el organismo
Anabolismo: reacción química que requiere de energía
Catabolismo: reacción química que libera energía
Metabolismo
Metabolismo: todas las reacciones químicas llevadas a
cabo en el organismo
La Energía:
Anabolismo: reacción química
¿Qué es?que requiere de energía
¿Cómo los organismos la capturan, la almacenan y la
usan?
Catabolismo: reacción química que libera energía
Concepto de Energía
Energía: La capacidad de hacer un trabajo
-energía cinética: la energía del movimiento
-energía potencial: la energía almacenada
Energía puede tomar diferentes formas:
mecánica
calor
corriente eléctrica
luz
7
Cómo se obtiene la Energía?
La energía fluye en el mundo biológico
desde el sol, el cual ilumina
constantemente la tierra.
• Plantas, algas y algunas
bacterias capturan una fracción de
esta energía a través de la fotosíntesis
• La fotosíntesis, es la energía solar
usada para combinar pequeñas
moléculas (H2O, CO2) y producir
moléculas más complejas (azúcares)
• La energía es almacenada como
energía potencial en los enlaces
covalentes entre los átomos en
las moléculas de azúcar
•
Flujo de Energía
La energía Potencial almacenada en los enlaces
químicos puede ser transferida desde una molécula a
otra mediante flujo de electrones.
Oxidación: pérdida de electrones
Reducción: ganancia de electrones
Reacciones redox: ambas son acopladas.
Reacción Redox
Pérdida de electrones (oxidación)
Ganancia de electrones (reducción)
Reacciones redox y Sistemas biológicos
Las reacciones de óxido reducción desempeñan un papel clave en
el flujo de la energía a través de los sistemas biológicos, porque
los electrones pasan de un átomo a otro llevando energía con ellos
• Las transformaciones de energía están sujetas
a las leyes de la Termodinámica
Leyes de la Termodinámica
Primera Ley de la Termodinámica – La energía del
universo no puede ser creada ni destruída (se
mantiene constante)
-La energía sólo puede ser convertida desde una
forma a otra.
Por ejemplo:
Energía solar
Energía química
fotosíntesis
13
Leyes de la Termodinámica
Segunda Ley de la Termodinámica: el desorden
es mas probable que el orden (el universo
tiende al desorden o caos)
Entropía: desorden en el universo
La 2nd Ley de la Termodinámica establece que la
entropía está siempre aumentando.
14
15
Leyes de la Termodinámica
Energía Libre: es la energía disponible para hacer un trabajo
-Se denota por el símbolo G (Energía libre de Gibb’s)
Entalpía: energía contenida en los enlaces químicos de una
molécula
Energía Libre = entalpía – (temp. x entropía)
G = H - TS
La energía Libre
•
•
•
•
•
•
Indica la máxima cantidad de energía de un sistema que está
disponible para hacer el trabajo.
Indica si una reacción se producirá espontáneamente o no.
Una reacción espontánea es aquella que se producirá sin energía
adicional.
En un proceso espontáneo, hay una disminución global de la energía libre.
Una temperatura más elevada aumenta el cambio. Una mayor energía
cinética de las moléculas tiende a perturbar el orden como las
posibilidades de incremento de colisiones al azar.
Los sistemas de alta energía, incluyendo sistemas de alta energía
química, son inestables y tienden a cambiar a un estado
más estable con una menor energía libre.
Energía Libre y Metabolismo
Las reacciones químicas pueden ser descritas por la
transferencia de la energía que ocurre:
Reacción endergónica: una reacción requiere un input
de energía
- ∆G es positivo
Reacción exergónica: una reacción que libera energía.
- ∆G es negativo
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Reacción Endergónica
Los productos almacenan mas
energía libre que los reactante
La reacción es
energéticamente cuesta arriba
Reacción no espontánea
(requiere aporte de energía)
Reacción Exergónica
Los productos almacenan
menos energía libre que los
reactante
La reacción es
energéticamente cuesta abajo
Reacción espontánea (no
requiere aporte de energía)
ATP: Fuente de energía celular
• El ATP es la fuente inmediata de energía que impulsa el mayor
trabajo celular, incluye:
– Trabajo mecánico: como el latido de los cilios, la contracción muscular,
el flujo citoplasmático, y movimiento de los cromosomas durante la
mitosis y la meiosis.
– Trabajo de transporte: tales como el bombeo de sustancias a través de
membranas.
– Trabajo químico: tales como procesos endergónicos de polimerización.
Energía almacenada en las células
ATP = adenosina trifosfato
-es la energía “almacenada” de las
células
Estructura del ATP :
-ribose, una azúcar de 5-carbonos
-adenina
-tres fosfatos
Energía almacenada en las células
ATP almacena energía en los enlaces entre los fosfatos .
Fosfatos son moléculas altamente negativas, entonces:
-Los fosfatos se repelen cada uno de otro.
-Mucha energía es requerida para mantener los
fosfatos unidos uno al otro.
-Mucha energía es liberada cuando los enlaces entre
los fosfatos se rompen.
Energía almacenada en las células
Cuando el enlace entre los fosfatos se rompe :
ATP
ADP + Pi
energía es liberada
ADP = adenosina difosfato
Pi = fosfato inorganico
Esta reacción es reversible.
Cómo el ATP realiza el trabajo
• La hidrólisis exergónica del ATP se acopla con los procesos endergónicos
mediante la transferencia de un grupo fosfato a otra molécula.
• La transferencia
deelfosfato
controlada
enzimáticamente.
El ATP es
poderestá
celular
de trabajo
mediante el
• La molécula de
la adquisición
fosfato (fosforilado
acoplamiento
de del
reacciones
exergónicasoyintermediario activo)
se convierte en más reactivo.
endergónicas
• La célula utiliza la energía química de las moléculas.
• Mediante el mecanismo de las reacciones acopladas,
la célula puede realizar procesos endergónicos con
excedente de energía.
• El metabolismo intermediario aprovecha las reacciones
exergónicas para realizar procesos endergónicos.
• Los procesos de oxido-reducción también pueden
aportar energía utilizable metabolicamente.
• Evolutivamente el ATP es la “moneda” de intercambio
energético en todos los seres vivos
• Alternativamente el GTP también puede aportar
energía a procesos endergónicos
Reacciones acopladas
En la célula, la energía liberada o que se hace disponible en una
reacción exergónica (que libera energía), es utilizada para mover
otras reacciones endergónicas ( que consumen energía), en otras
palabras la energía es utilizada para realizar trabajo.
Leyes de la Termodinámica: cómo se lleva
a cabo una reacción
La mayoría de las reacciones requiere de energía para comenzar.
Energía de activación : energía extra necesaria para que la reacción
comience
-desestabiliza los enlaces químicos existentes
-es requerido incluso para reacciones exergónicas
Catalizador : substancias que disminuyen la energía de activación de
una reacción.
- Reducción de entropía
- Desolvatación
- Se compensa tensión o distorsión del sustrato
- Consigue alineamiento entre grupos funcionales catalíticos de la
enzima (E) y el sustrato (S).
28
Vías de una reacción
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Qué hacer para que una reacción vaya
mas rápida
• El aumento de la temperatura, hace que las moléculas se
mueven más rápido.
• Los sistemas biológicos son muy sensibles a los cambios de
temperatura.
• Las enzimas pueden aumentar la velocidad de las reacciones,
sin aumentar la temperatura.
• Las enzimas lo hacen mediante la reducción de la energía de
activación.
• Crean un nuevo camino de reacción "un atajo"
Catálisis Enzimática
La CATÁLISIS ENZIMÁTICA es esencial para los sistemas vivos.
La mayoría de las Reacciones Químicas ocurrirían muy lento en
condiciones biológicamente significativas.
• Hace posible que en condiciones fisiológicas tengan lugar
reacciones que sin catalizador requerirían condiciones extremas
de presión, temperatura o pH.
• Las biomoléculas son muy estables a pH neutro, temperatura
suave y ambiente acuoso
•
•
Qué es una enzima?
Enzimas: son moléculas que catalizan reacciones en
células vivas.
- Es una proteina * con actividad catalítica debido a su
poder específico de activación
- Menor energía de activación es necesaria para llevar
a cabo una reacción
- No son modificadas o consumidas por la reacción.
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Las enzimas aceleran las reacciones
decreciendo la energía de activación (Go‡ o Ea)
Enzima
Las reacciones controladas por enzimas ocurrirán 108 a 1011 veces más
rápido que las correspondientes reacciones no enzimáticas.
Estructura de las enzimas
•
Las enzimas son proteínas*
•
Tienen una forma globular
•
Forma un complejo de estructura 3-D
•
Si se desnaturaliza o disocia
subunidades pierde su actividad.
•
Estructuras 1°, 2°, 3° y 4° son esenciales
en
Amilasa pancreática humana
El sitio activo
© H.PELLETIER, M.R.SAWAYA
ProNuC Database
• Una parte de una enzima, el sitio
activo, es particularmente importante.
• Por lo general se encuentran en las
hendiduras y grietas de la
proteína. Evitando disolventes que de
otro modo podrían reducir la actividad
catalítica de la enzima.
• La forma y el entorno químico dentro
del sitio activo permite que una
reacción química proceda con mayor
facilidad
• Los aminoácidos y cofactores se
mantienen en disposición precisa con
respecto a la estructura del sustrato.
Co factores
Enzima nitrogenasa con los co-factores: Fe,
Mo y ADP
Jmol from a RCSB PDB file © 2007 Steve Cook
H.SCHINDELIN, C.KISKER, J.L.SCHLESSMAN, J.B.HOWARD, D.C.REES
STRUCTURE OF ADP X ALF4(-)-STABILIZED NITROGENASE COMPLEX
AND ITS
IMPLICATIONS FOR SIGNAL TRANSDUCTION; NATURE 387:370 (1997)
• Un molécula adicional
(no proteína) necesaria para
ayudar a algunas enzimas a
llevar a cabo la reacción.
• Cofactores fuertemente
unidos se llaman grupos
prostéticos
• Cuando el cofactor es una
molécula orgánica se llama
coenzima (cofactores que se
unen y se liberan fácilmente)
• Muchas vitaminas son
coenzimas
Cofactores - Coenzimas
• Muchas de estas coenzimas se sintetizan a partir de
vitaminas.
• Cuando los cofactores y las coenzimas se encuentran unidos
covalentemente a la enzima se llaman grupos prostéticos.
• La forma catalíticamente activa del enzima, es decir, el
enzima unida a su grupo prostético, se llama holoenzima. La
parte proteica de un holoenzima (inactiva) se llama
apoenzima, de forma que:
apoenzima + grupo prostético= holoenzima
Cofactores enzimáticos
Coenzimas:
NAD+, NADP+, NADH, NADPH, FAD, FADH+, FADH2,FMN, FMNH+,
FMNH2,
PIRIDOXAL FOSFATO, TIAMINA PIROFOSFATO, ACIDO ASCORBICO,
ACIDO
PANTOTENICO
• Metales y iones:
HIERRO, ZINC, COBRE, NIQUEL, SELENIO, CALCIO, MAGNESIO,
MANGANESO,
SODIO, POTASIO, CLORURO, IODURO,
•
Coenzima: NAD+
Deriva de la Vitamina B5
(ácido nicotínico)
Los Sustratos
• El sustrato de una enzima son los reactivos que se activan por
la enzima.
• Las enzimas son específicas para sus sustratos.
• La especificidad está determinada por el sitio activo
El ciclo catalítico de la enzima sucrasa que degrada
el azúcar (sucrosa) en glucosa y fructosa
I. Cómo se une el sustrato al sitio catalítico
Hipótesis de llave y cerradura
• El ajuste entre el sustrato y el sitio activo de la
enzima es exacto.
• Al igual que una llave encaja en una cerradura de forma muy
precisa.
• La clave es análoga a la enzima y el sustrato análoga a la
cerradura.
• La estructura temporal formada es llamada el complejo
enzima-sustrato.
• Los productos son diferentes al sustrato, una vez
formados, son liberados desde el sitio activo, dejándolo libre
para apegarse a otro substrato
Modelo de unión Enzima-Sustrato de llave
cerradura
Hipótesis de llave y cerradura
S
Esto explica:
• La especificidad de las enzimas.
• La pérdida de actividad cuando
las enzimas son denaturadas.
E
E
E
Complejo
enzimasustrato
Enzima puede
ser usada
nuevamente
P
P
Reaction coordinate
Coordenada
de reacción
II. Cómo se une el sustrato al sitio catalítico
La hipótesis del ajuste inducido
• Algunas proteínas pueden cambiar su forma (conformación).
• Cuando un sustrato se une a una enzima, esto induce un cambio en la
conformación de la enzima.
• El sitio activo es entonces moldeado dentro de una precisa conformación.
• Este cambio favorece un entorno químico adecuado para la reacción.
• La unión del sustrato a la enzima es estrecha, lo que facilita la reacción
(baja energía de activación).
Modelo de unión Enzima-Sustrato de
anclaje inducido
Concepto de sitio activo según
hipótesis del anclaje inducido
Hexokinasa (a) sin (b) con el substrato glucosa
http://www.biochem.arizona.edu/classes/bioc462/462a/NOTES/ENZYMES/enzyme_mechanism.html
Esto explica que las enzimas pueden reaccionar con una variedad de sustratos de
similar tipo.
Nomenclatura
Hay varias formas de nombrar una enzima:
• nombres particulares
• nombre sistemático
• código de la comisión enzimática (enzyme
comission)
Clasificación Internacional de las
enzimas
Clases de enzimas:
1. OXIDOREDUCTASAS transferencia de electrones (Ox-red)
2. TRANSFERASAS transferencia de grupos químicos
3. HIDROLASAS reacciones de hidrolisis
4. LIASAS adición a dobles enlaces
5. ISOMERASAS transforman isomeros
6. LIGASAS formación de enlaces covalentes (gasto de ATP)
El nombre de la enzima tiene 2 partes la 1ª es el
nombre de el o los substratos la 2ª con
terminación asa indica el tipo de reacción que
cataliza.
Nombres de enzimas
• Ureasa (hidrólisis de urea).
• Transaminasa (transiere grupos amino desde una
molécula a otra).
• RNA polimerasa (formación de RNA por
polimerización).
• Pero también hay enzimas que han sido nombradas
previo a este regla, por ejemplo: pepsina y tripsina.
Cinética Enzimática
• La cinética enzimática estudia la velocidad de las reacciones
catalizadas por enzimas.
• Estos estudios proporcionan información directa acerca del
mecanismo de la reacción catalítica y de la especifidad del enzima.
• La velocidad de una reacción catalizada por un enzima puede
medirse con relativa facilidad, ya que en muchos casos no es
necesario purificar o aislar el enzima. La medida se realiza siempre
en las condiciones óptimas de pH, temperatura, presencia de
cofactores, etc, y se utilizan concentraciones saturantes de sustrato.
• En estas condiciones, la velocidad de reacción observada es la
velocidad máxima (Vmax).
• La velocidad puede determinarse bien midiendo la aparición de los
productos o la desaparición de los reactivos.
Catálisis enzimática
•
•
La enzima disminuye la barrera de
activación en comparación con la
reacción acuosa no catalizada
En la mayoría de casos, la
interacción inicial es no
covalente (ES): formación de
puentes de hidrógeno,
interacciones
electrostáticas, hydrofóbicas y la
fuerza de van der Waals.
ES: el grupo catalítico una parte
integral de la misma molécula, la
reacción de enzima unido a
sustrato seguirá una cinética
de primer orden mas que una
cinética de segundo orden.
E + S --> ES --> [EX*] --> EP --> E + P
(weak)
Complejo activado
Cómo funcionan los catalizadores
• Los enzimas disminuyen la energía de activación
de las reacciones
a)
Reacción
Energía de activación
(Kcal*mol-1)
el peróxido de hidrógeno se descompone en:
H2 O2
H2 O + O2
18
b) el hierro catalítico (Fe) realiza la reacción
13
H2O2
H2 O + O2
c) el platino catalítico (Pt) realiza la reacción :
H2O2
H2 O + O2
d) la catalasa una enzima hepática la realiza
H2O2
12
H2O + O2
5
Catálisis enzimática
•
Cambios en la energía libre ∆GB.
Favorable interacción entre la
enzima y substrato resulta en una
energía intrínseca favorable .
•
Entropía es perdida cuando el
substrato se une a la enzima.
(a) Dos entidades llegan a ser una.
(b) El sustrato es menos capaz de rotar.
(c) El sustrato está mas ordenado.
•
La interacción débil entre enzimasustrato es optimizada y
estabilizada en el estado de
transición.
E + S --> ES --> [EX*] --> EP --> E + P
(weak) (stronger)
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
v = v3 = k3 [ES] =
La velocidad V indica el número de
reacciones por unidad de tiempo que
son catalizadas por la enzima.
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
CÁLCULO DE LA KM Y DE LA Vmax DE UN ENZIMA
V = velocidad de la reacción catalizada por la enzima
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
CÁLCULO DE LA KM Y DE LA Vmax DE UN ENZIMA
La representación gráfica de la ecuación de Michaelis-Menten es una
hipérbola. La Vmax corresponde al valor máximo al que tiende la curva
experimental, y la KM corresponde a la concentración de sustrato a la cual
la velocidad de la reacción es la mitad de la Vmax.
MODELO CINÉTICO DE MICHAELIS-MENTEN
CÁLCULO DE LA KM Y DE LA Vmax DE UN ENZIMA
Para determinar gráficamente los valores de KM y Vmax es más sencillo
utilizar la representación doble recíproca (1/v0 frente a 1/[S]0), ya que
es una línea recta. Esta representación doble recíproca recibe el nombre
de representación de Lineweaver-Burk
Cinética de la Catálisis Enzimática
Significado de KM
KM es la concentración de sustrato para la cual la
velocidad de reacción es la mitad de la velocidad
máxima.
El valor de KM da idea de la afinidad del enzima por el
sustrato:
a menor KM, mayor afinidad del enzima por el sustrato, y
a mayor KM, menor afinidad.
Cinética de la Catálisis Enzimática
Factores que afectan la velocidad de
reacción
•
•
•
•
•
Concentración de enzima
Concentración de sustrato
pH
Temperatura
Inhibidores
Efecto de la variación de la concentración de la
enzima
En
condiciones
de
concentración de S hasta
la saturación, pH y
temperatura constante se
observa que
•
En reacciones no enzimáticas, la
velocidad de reacción es proporcional
a la concentración de sustrato
Veloc de reacción
Concentración de sustrato
Conc de sustrato
•
En reacciones enzimáticas, la
velocidad inicial es rápida pero
alcanza un punto de saturación
cuando todas las moléculas de
enzimas están ocupadas
Si se altera la concentración de la
enzima, entonces la velocidad máxima
cambiará.
Vmax
Veloc reacción
•
Conc de sustrato
El efecto del pH
pH extremos pueden producir denaturación de las enzimas (Las enzimas
poseen grupos químicos ionizables en las cadenas laterales de sus
aminoácidos: carboxilos -COOH; amino -NH2; tiol -SH; imidazol, etc.)
• La estructura de la enzima es modificada
• El sitio activo es distorcionado y las moléculas de sustrato no se unirán
fuertemente a el.
• A valores de pH ligeramente diferente del valor óptimo de la enzima, se
pueden producir pequeños cambios en la carga de a enzima y su sustrato .
Este cambio en la ionización afectará a la unión del sustrato con el sitio
activo.
•
El efecto del pH
Actividad enzimática
Valores de pH óptimos
Tripsina
Pepsina
1
3
5
7
pH
9
11
Ejemplos de pH óptimo
pH Optimum
Enzima
pepsin
sucrase
catalase
arginase
alkaline
phosphatase
Fuente
pH
gastric mucosa
intestine
liver
beef liver
bone
1.5
6.2
7.3
9.0
9.5
El efecto de la temperatura
Q10 (coeficiente de temperatura) = el incremento en la velocidad de
reacción al aumentar 10°C la temperatura.
• Las reacciones químicas tienen un Q10 = 2 a 3 (la velocidad de reacción se
duplica o triplica con un aumento de 10°C en temperatura)
• Las reacciones controladas por enzimas siguen esta regla como las
reacciones químicas
• Sin embargo, a temperaturas altas las enzimas se denaturan.
• La temperatura óptima para una enzima, se define como el balance entre
el Q10 y la denaturación.
•
Actividad enzimática
El efecto de la temperatura
Q10
0
10
20
30
40
Temperatura / °C
Denaturación
50
El efecto de la temperatura
• Para la mayoría de las enzimas, la temperatura óptima es
alrededor de los 30°C
• Para muchas la temperatura óptima es más baja Ej. los peces
de agua fría va a morir a 30 ° C, ya que sus enzimas se
desnaturalizan.
• Algunas bacterias tienen enzimas que pueden
soportar temperaturas muy altas de hasta 100 ° C.
• La mayoría de las enzimas son, sin embargo,
totalmente desnaturalizadas a 70 ° C.
Inhibidores
•
Los inhibidores son sustancias químicas que reducen la velocidad de las
reacciones enzimáticas.
•
Suelen ser específicos y trabajan a bajas concentraciones.
•
Bloquean la enzima, pero por lo general no la destruyen.
•
Muchos fármacos y venenos son inhibidores de enzimas en el sistema
nervioso.
Inhibidores competitivos
Inhibidores no competitivos
Inhibidor competitivo
Los inhibidores
competitivos se unen a la
enzima en el mismo sitio
donde se une el sustrato
compitiendo por el sitio
activo
• Dada cualquier
concentración de inhibidor
la inhibición puede ser
disminuida incrementando
la concentración del
sustrato
•
Inhibidor no competitivo
Los inhibidores no
competitivos se unen a la
enzima en un sitio diferente al
sitio activo
• Alteran la forma de la enzima y
reducen su afinidad por el
sustrato
• La inhibición es independiente
de la concentración de sustrato
•
Regulación de la actividad enzimática
• Las enzimas son reguladas por las células
• Las células usan diversos métodos para controlar
cómo y cuándo trabaja una enzima.
– Regulación alostérica: la unión del ligando modula la
unión del sustrato y la catálisis
– Modificaciones covalentes - Reversible: Fosforilación,
nucleótidos, lípidos anclados.
– Retroalimentación (feedback): regula las vías
metabólicas
– La proteólisis convierte a proteínas inactivas en
activas
Regulación: Metabolismo y Catálisis
enzimática
• Vias Bioquímicas son una serie de reacciones en las cuales el
producto de una reacción llega a ser el sustrato para la
reacción siguiente.
• Las Vías Bioquímicas son a menudo reguladas por una
inhibición por retroalimentación (feedback negativo) en el
cual, el producto terminal de la vía es un inhibidor alostérico
de una enzima temprana que participa en la vía.
Proenzimas (Zimógenos)
• Enzimas fabricadas en forma inactiva
Se activan cuando una pequeña
parte de la cadena polipéptidica es
removida.
Hormonas,
Enzimas digestivas,
Enz de coagulación de la sangre
Enzimas intracelulares (∼3000)
Enzimas Extracelulares (∼200)
Isoenzimas
• Diferentes enzimas que realizan el mismo tipo
de función en diferentes tejidos u órganos.
El estudio de las enzimas tiene una gran
importancia práctica
• Muchas enfermedades genéticas son causadas por una
deficiencia o la ausencia total de una o más enzimas. Por
ejemplo: la fenilcetonuria-PKU (carencia de la enzima
fenilalanina hidroxilasa).
• Las mediciones de las actividades de las enzimas (en la
sangre o tejidos) son importantes en el diagnóstico de ciertas
enfermedades . Por ejemplo, las transaminasas y daño
hepático.
• Las enzimas son objetivos importantes de drogas . La
aspirina inhibe la ciclooxigenasa de la biosíntesis
de prostaglandinas.
• Las enzimas se utilizan ampliamente en la industria química y
procesamiento de alimentos.