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文檔簡(jiǎn)介

生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型

?教學(xué)過(guò)程

[課前準(zhǔn)備]

(1)由于本節(jié)課內(nèi)容跳躍較快,需要在一節(jié)課時(shí)間內(nèi)展示近兩百年來(lái)人們對(duì)

細(xì)胞膜認(rèn)識(shí)的過(guò)程,而學(xué)生對(duì)這過(guò)程中所提及的實(shí)驗(yàn)及一些結(jié)論又比較陌生,所以

課前老師要精心組織好相關(guān)圖片,按時(shí)間順序依次展示,給學(xué)生以感性的認(rèn)識(shí),讓

學(xué)生能較快建立對(duì)科學(xué)史的理解。

(2)準(zhǔn)備生物流動(dòng)鑲嵌模型的多媒體演示課件,重點(diǎn)突破:①膜的空間立

體結(jié)構(gòu),各種成分是如何排列的;②生物膜的流動(dòng)性。

[情境創(chuàng)設(shè)]

教師:同學(xué)們,在上一節(jié)課中,通過(guò)對(duì)幾種物質(zhì)跨膜運(yùn)輸?shù)膶?shí)例,我們明白

了生物膜是一種半透膜,一些小分子可以自由通過(guò),一些分子則不能自由通過(guò),

但細(xì)胞膜又不是純物理意義上的半透膜,它是有生理活性的,能對(duì)一些離子和小

分子進(jìn)行選擇性通過(guò)。所以生物膜更是一種選擇透過(guò)性膜。那為什么會(huì)有選擇性

呢?生物膜是靠什么機(jī)制來(lái)對(duì)不同的物質(zhì)進(jìn)行選擇的呢?這就跟細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)

有密切的關(guān)系,我們接下來(lái)學(xué)習(xí)生物膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

在前面我們制作真核細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)模型中,當(dāng)時(shí)也遇到過(guò)用什么材料做細(xì)

胞膜的問(wèn)題,很多組的同學(xué)都沒(méi)有很好地解決。我們要從結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的角

度分析,用什么材料做細(xì)胞膜,能更好地體現(xiàn)細(xì)胞膜的功能。首先,我們來(lái)總結(jié)

?下我們已知的細(xì)胞膜的特點(diǎn)有哪些。

學(xué)生:細(xì)胞膜很薄,是細(xì)胞這個(gè)生命系統(tǒng)的邊界。

學(xué)生:細(xì)胞膜是選擇透過(guò)性膜,能夠控制物質(zhì)的進(jìn)出,讓一部分物質(zhì)通過(guò),

其他物質(zhì)不能通過(guò)。

學(xué)生:植物細(xì)胞質(zhì)壁分離和復(fù)原的實(shí)驗(yàn)告訴我們,細(xì)胞能夠在一定范圍內(nèi)脹

大和縮小,說(shuō)明細(xì)胞膜具有一定的彈性。

教.師:很好,現(xiàn)在有三種材料:塑料袋、普通布和彈力布,用哪種更適合于

體現(xiàn)細(xì)胞膜的功能呢?

學(xué)牛.:塑料袋只能滿足作為系統(tǒng)動(dòng)界的要求,普通布能夠滿足系統(tǒng)的邊界和

讓一部分物質(zhì)透過(guò)這兩項(xiàng)功能的要求,只有彈力布能夠滿足前面提到的三項(xiàng)功能

的要求。

教師:那也就是說(shuō)彈力布較適合制作細(xì)胞膜,大家再調(diào)動(dòng)已有的知識(shí)和生活經(jīng)

驗(yàn),你還能想出更好的材料做細(xì)胞膜嗎?要找到更好的材料,我們還需要對(duì)細(xì)胞膜

的結(jié)構(gòu)有更深的認(rèn)識(shí)。

[師生互動(dòng)]

1.對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程

人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)是有一個(gè)過(guò)程的,科學(xué)家當(dāng)年正是懷著對(duì)物質(zhì)跨膜運(yùn)輸現(xiàn)

象產(chǎn)生的疑問(wèn),開(kāi)始了對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的孜孜以求池探索,歷經(jīng)了一百多年時(shí)間,

走過(guò)了i條曲折的道路,直到現(xiàn)在仍有許多科學(xué)家在繼續(xù)深入研究。讓我們i起

重溫一下這段歷史,會(huì)讓大家對(duì)科學(xué)過(guò)程和本質(zhì)的理解有所啟發(fā)C

問(wèn)題(1):一種物質(zhì)或物體的結(jié)構(gòu),實(shí)際上是指其組成成分之間的組合形式。

要弄清一種物質(zhì)或物體的結(jié)構(gòu),首先要弄清其組成成分。那么,細(xì)胞膜的組成成

分是什么呢?

展示材料①:歐文頓及其實(shí)驗(yàn)相關(guān)的圖片

時(shí)間:19世紀(jì)末1895年

人物:歐文頓(E.Overton)

實(shí)驗(yàn):用500多種化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物細(xì)胞的通透性進(jìn)行過(guò)上萬(wàn)次的實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)

細(xì)胞膜對(duì)不同物質(zhì)的通透性是不一樣的:凡可以溶于脂質(zhì)的物質(zhì),比不能溶于脂

質(zhì)的物質(zhì)更容易通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

提出假說(shuō):膜是由脂質(zhì)組成的。

不溶干脂質(zhì)的物質(zhì)溶于脂質(zhì)的物質(zhì)

圖4—2—1

教師:大家看,最初認(rèn)識(shí)到細(xì)胞膜是由脂質(zhì)組成的,是通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的推理分

析還是通過(guò)對(duì)膜成分的提取和鑒定?

學(xué)生:是從生理功能上入手,通過(guò)對(duì)現(xiàn)象的推理分析的。

教師:歐文頓的分析假說(shuō)是如何提出的呢?

學(xué)生:根據(jù)他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评淼贸鰜?lái)的:凡可以溶于脂質(zhì)的物

質(zhì),比不能溶于脂質(zhì)的物質(zhì)更容易通過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞。

教師:那在推理分析得出結(jié)論之后,還有沒(méi)有必要對(duì)膜的成分進(jìn)行提取、分

離和鑒定呢?

學(xué)生:有必要,通過(guò)鑒定能更準(zhǔn)確地說(shuō)明問(wèn)題。

教師:那為什么一開(kāi)始不直接對(duì)膜的成分進(jìn)行提取、分離和鑒定呢:

學(xué)生:當(dāng)時(shí)的技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)。

教師:是的,這說(shuō)明技術(shù)對(duì)科學(xué)研究的重要作用,直至20世紀(jì)初,科學(xué)家

才能第一次將細(xì)胞膜從哺乳動(dòng)物紅細(xì)胞中分離出來(lái),化學(xué)分析表明,膜的主要成

分的確是脂質(zhì)和蛋白質(zhì).從而以實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了歐文頓的假說(shuō)是成立的.也就是說(shuō)假

說(shuō)是在實(shí)驗(yàn)與觀察的基礎(chǔ)上提出來(lái)的,同時(shí)乂需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明。

問(wèn)題(2):清楚了膜的化學(xué)組成后,接下來(lái)就要探索這些物質(zhì)是如何組成膜

的了。

朗繆爾IrvingLangmuir在水盤(pán)中展開(kāi)的是磷脂分子(如圖4—2—2),磷

脂分子是一種由廿油、脂肪酸和磷酸所組成的分子,結(jié)構(gòu)既有疏水基團(tuán)(尾部),

又有親水基團(tuán)(頭部)。因?yàn)榱字肿拥摹邦^部”親水,所以在水一空氣界面上

磷脂分子是“頭部”向下與水面接觸,尾部則朝向空氣一面。這樣磷脂分子可以

在空氣和水的界面上展開(kāi)為一層。

圖4—2—2圖4—2一3

展示材料②:Gorter和Grendel對(duì)血影的研究

時(shí)間:1925年

人物:荷蘭科學(xué)家Gorter和Grendel

圖4—2—4

實(shí)驗(yàn):兩位科學(xué)分離純化了紅細(xì)胞,從一定數(shù)量的紅細(xì)胞中抽提脂類(lèi),按

Langmuir的方法進(jìn)行展層,并比較展層后的脂單層的面積和根據(jù)體積所推算的

總面積,發(fā)現(xiàn)提取的脂鋪展后所測(cè)的面積同實(shí)標(biāo)測(cè)量的紅細(xì)胞的表面積之比為

(1.8-2.2):1,約為兩倍。

教師:假如你是當(dāng)時(shí)的科學(xué)家,當(dāng)你做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)單分子的磷脂分子正好是

紅細(xì)胞的兩倍時(shí),大膽地展開(kāi)你的想象力,你能做出什么假說(shuō)?

學(xué)生:細(xì)胞膜中的磷脂是兩層的。

教師:很好,科學(xué)家也正是因測(cè)得單分子層的面積恰為紅細(xì)胞表面積的2倍,

才得出膜中的脂質(zhì)必然排列為連續(xù)的兩層這一假說(shuō)。說(shuō)明你們也具有了一點(diǎn)科學(xué)

家的.思維能力了,假說(shuō)的提出不僅需要有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),同時(shí)還需要有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?/p>

和大膽的想象力。

問(wèn)題(3):那蛋白質(zhì)和磷脂的位置關(guān)系乂是如何的呢?

展示材料③:J.Danielli&H.Davson的三明治模型

時(shí)間:1935年

人物:J.Danielli&H.Davson

實(shí)驗(yàn):J.Danielli&ILDavs.on1935發(fā)現(xiàn)質(zhì)膜的表面張力比油一水界

面的張力低得多,推測(cè)膜中含有蛋白質(zhì)。

提出假說(shuō):提出了“蛋白質(zhì)一脂類(lèi)一蛋白質(zhì)”的三明治模型。認(rèn)為質(zhì)膜由雙

層脂類(lèi)分子及其內(nèi)外表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。1959年在上述基礎(chǔ)上提出了修

正模型。

展示材料④:羅伯特森的單位膜模型

時(shí)間:1959年

人物:J.D.Robertson羅伯特森

圖4—2_5

圖4—2—6

實(shí)驗(yàn):用超薄切片技術(shù)獲得了清晰的細(xì)胞膜照片,顯示暗一明T厝三層結(jié)構(gòu)(如

圖4—2—6),厚約7.5run,它由厚約3.5nm的雙層脂質(zhì)分子和內(nèi)外表面各為厚約2

nm的蛋白質(zhì)構(gòu)成。

提出假說(shuō):連續(xù)的脂質(zhì)雙分子層組成膜的主體,磷脂的非極性端朝向膜內(nèi)側(cè),

極性端朝向膜外兩側(cè),蛋白質(zhì)以單層肽鏈的厚度,通過(guò)靜電作用與磷脂極性瑞相

結(jié)合,從而形成蛋白質(zhì)磷脂蛋白質(zhì)的二層結(jié)構(gòu),稱(chēng)之為單位膜。他提出真核

細(xì)胞與原核細(xì)胞具有相同的膜結(jié)構(gòu)。單位膜模型的主要不足在于:把生物膜的結(jié)

構(gòu)描述成靜止的、不變的,這顯然與膜功能的多樣性相矛盾。

單位膜結(jié)構(gòu)模型繼承了前人的有關(guān)“脂雙層”和“蛋白質(zhì)一脂類(lèi)一蛋白質(zhì)”

三明治模型的結(jié)論,又成功地利用了先進(jìn)的電子顯微鏡的觀察結(jié)果作為證據(jù)。但

是他將生物膜描述為靜態(tài)的剛性的結(jié)構(gòu),這一點(diǎn)很快又被新的技術(shù)手段下的實(shí)驗(yàn)

所否定。

問(wèn)題(4):有什么證據(jù)證明細(xì)胞膜中的物質(zhì)不是靜態(tài)的呢?

展示材料⑤:熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)

時(shí)間:1970年

人物:LarryFre等

實(shí)驗(yàn):將人和鼠的細(xì)胞膜用不同熒光抗體標(biāo)記后,讓兩種細(xì)胞融合,雜種細(xì)

胞一半發(fā)紅色熒光、另一半發(fā)綠色熒光,放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)兩種熒光抗體均勻

分布。

提出假說(shuō):細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

質(zhì)膜的流動(dòng)性是保證其正常功能的必要條件。例如物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、細(xì)胞信息

傳遞、細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞免疫、細(xì)胞分化以及激素的作用等等都與膜的流動(dòng)性密切

相關(guān)。熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn),成功地指出細(xì)胞膜具有流動(dòng)性。

實(shí)際上,一些很簡(jiǎn)單的例子也能說(shuō)明膜具有流動(dòng)性,如我們初中學(xué)習(xí)的白細(xì)

胞會(huì)吞噬細(xì)菌就是一個(gè)很好的例子。大家再想想類(lèi)似的還有什么例子?

學(xué)生:變形蟲(chóng)的變形運(yùn)動(dòng)。

學(xué)生:植物細(xì)胞的質(zhì)壁分離。

學(xué)生:動(dòng)物細(xì)胞吸水膨脹和失水皺縮。

教師:很好,在繼承前人的結(jié)論基礎(chǔ)上,結(jié)合新的觀察和實(shí)驗(yàn)證據(jù),又有科

學(xué)家提出一些關(guān)于生物膜的分子結(jié)構(gòu)模型。其中1972年桑格(S.J.Singer)

和尼克森(G.Nicolson)提出的流動(dòng)鑲嵌模型為大多數(shù)人所接受。

好,學(xué)到這里,縱觀整個(gè)人們對(duì)建立生物膜模型的探索過(guò)程,我們有些話題想讓

大家思考討論。

2.以討論小組的形式開(kāi)展課堂.討論交流

(1)生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型是不是就完美無(wú)缺了呢?請(qǐng)說(shuō)說(shuō)你的看法。

學(xué)生:生物膜的流動(dòng)鑲嵌模型不可能完美無(wú)缺。人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)永無(wú)止

境,隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn),對(duì)膜的研究將更加細(xì)致入微,對(duì)膜結(jié)構(gòu)的

進(jìn)一步認(rèn)識(shí)將能更完善地解釋細(xì)胞膜的各種功能,不斷完善和發(fā)展流動(dòng)鑲嵌模型。

的確,流動(dòng)鑲嵌模型是目前人們普遍認(rèn)同的,但它無(wú)法完美地回答生物摸的

所有功能。所以后來(lái)不斷提出一些新的模型,如Wallach于1975年提出晶格鑲

嵌模型;Jain和White于1977年提出板塊鑲嵌模型等,迄今為止,已提出的生

物膜結(jié)構(gòu)模型達(dá)幾十種之多,生物膜的結(jié)構(gòu)模型雖然有很多種,但被廣泛接受的

結(jié)構(gòu)模型基本內(nèi)容是趨向一致的。其要點(diǎn)和特點(diǎn)基本相同,主要包括膜的分子組

成和結(jié)構(gòu)特征。

(2)縱觀整個(gè)人們對(duì)建立生物膜模型的探索過(guò)程,你能談?wù)剬?shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)

步起到怎樣的作用?

學(xué)生:在建立生物膜模型的過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步起到了關(guān)鍵性的推動(dòng)作

用。如血影的制取和化學(xué)成分的鑒定技術(shù)使人們認(rèn)識(shí)膜的化學(xué)組成;電子顯微鏡

的誕生使人們終于看到了膜的存在;冰凍蝕刻技術(shù)和掃描電子顯微鏡技術(shù)使人們

認(rèn)識(shí)到膜的內(nèi)外兩側(cè)并不對(duì)稱(chēng);熒光標(biāo)記小鼠細(xì)胞與人細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn)又證明了

膜的流動(dòng)性等。沒(méi)有這些技術(shù)的支持,人類(lèi)的認(rèn)識(shí)便不能發(fā)展。

(3)分析生物膜模型的建立過(guò)程中,結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)是如何得到體現(xiàn)的?

學(xué)生:在建立生物膜模型的過(guò)程中,結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點(diǎn)始終引導(dǎo)人們

不斷實(shí)踐、認(rèn)識(shí),再實(shí)踐、再認(rèn)識(shí);使人類(lèi)一步步接近生物膜結(jié)構(gòu)的真相。例如,

不同生物膜的功能是有差異的。在生命系統(tǒng)中,一般來(lái)說(shuō),功能的不同常伴隨著

結(jié)構(gòu)的差異,而早期的生物膜模型假定所有的生物膜都是相同的,這顯然與不同

部位的生物膜功能不完全相同是矛盾的。還有,不同膜的厚度也不完全一樣。由

此促進(jìn)學(xué)者們重新研究脂質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用的問(wèn)題-一些學(xué)者使用了更加先進(jìn)

的技術(shù),運(yùn)用紅外光譜等技術(shù)證明,膜蛋白主要為球形結(jié)構(gòu)。冰凍蝕刻電鏡技術(shù)

又證明,脂雙層中分布有蛋白質(zhì)顆粒,這樣又發(fā)展了生物膜模型。生物膜中存在

不同種類(lèi)的蛋白質(zhì),以及蛋白質(zhì)在生物膜中的不同分布情況,恰能較好地解釋不

同結(jié)構(gòu)的生物膜具有不同的生理功能。

(4)分析生物膜模型的建立過(guò)程,你受到什么啟示?

學(xué)生:科學(xué)研究是要在熨驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上,通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评砗痛竽懙南胂?

提出假說(shuō),再通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步地驗(yàn)證假說(shuō)。

學(xué)生:科學(xué)研究依賴(lài)于技術(shù)的進(jìn)步,技術(shù)進(jìn)步了,可以得到更多新的實(shí)驗(yàn)數(shù)

據(jù)。

學(xué)生:科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程,涉及到許多科學(xué)家的辛勤工作。

學(xué)生:科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程不是一帆風(fēng)順的,往往是在繼承的基礎(chǔ)上不斷驗(yàn)證、

修正和完善發(fā)展的。

學(xué)生:科學(xué)家的觀點(diǎn)并不全是真理,還必須通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證;,科學(xué)學(xué)說(shuō)不是一

成不變的,需要不斷完善。

教師:那流動(dòng)鑲嵌模型的具體內(nèi)容是如何的呢?

[教師精講]

流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容

結(jié)合課件展示依次介紹:

(1)磷脂雙分子層是生物膜的基本支架。其中磷脂分子的親水性頭部朝向

兩側(cè),疏水性的尾部相對(duì)朝向內(nèi)側(cè)。

圖4-2-7

(2)蛋白質(zhì)分子有的鑲嵌在磷脂雙分子層表面,,有一的部分或全部嵌入磷脂

雙分子層中,有的橫跨整個(gè)磷脂雙分子層。這里體現(xiàn)了膜結(jié)構(gòu)內(nèi)外的不對(duì)稱(chēng)性。

皿-Si

圖4-2-8

(3)在細(xì)胞膜的外側(cè),有一層由細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)與糖類(lèi)結(jié)構(gòu)合形成的糖

蛋白,叫做糖被。糖被與細(xì)胞識(shí)別、細(xì)胞間的信息交流有密切聯(lián)系。

圖4—2—9

(4)磷脂分子是可以運(yùn)動(dòng)的,具有流動(dòng)性。膜脂分子的運(yùn)動(dòng)有多種形式:

①側(cè)向擴(kuò)散:同一平面上相鄰的脂分子交換位置。②旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng):膜脂分子圍

繞與膜平而垂直的軸進(jìn)行快速旋轉(zhuǎn)。卷擺動(dòng)運(yùn)動(dòng):膜脂分子圍繞與膜平面垂直的

軸進(jìn)行左右擺動(dòng)。④伸縮震蕩:脂肪酸鏈沿著與縱軸進(jìn)行伸縮震蕩運(yùn)動(dòng)。⑤翱轉(zhuǎn)

運(yùn)動(dòng):膜脂分子從脂雙層的一層翻轉(zhuǎn)到另一層,是在翻轉(zhuǎn)酶的催化下完成。⑥旋

轉(zhuǎn)異構(gòu):脂肪酸鏈圍繞C—C鍵旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致異構(gòu)化運(yùn)動(dòng)。

圖4-2-10

(5)大多數(shù)的蛋白質(zhì)也是可以運(yùn)動(dòng)的,也體現(xiàn)了膜的流動(dòng)性。

[評(píng)價(jià)反饋]

1.精選練習(xí)

(1)變形蟲(chóng)的任何部位能伸出偽足,人體的某些白細(xì)胞能吞噬病菌,這些

生理活動(dòng)的完成說(shuō)明細(xì)胞膜具有下列哪一特點(diǎn)

A.選擇透過(guò)性B.一定的流動(dòng)性C.保護(hù)作用D.細(xì)胞識(shí)別

(2)1985年Ovarton在研究各種未受精卵細(xì)胞的透性時(shí),發(fā)現(xiàn)脂溶性物

質(zhì)容易透過(guò)細(xì)胞膜,不溶于脂質(zhì)的物質(zhì)透過(guò)細(xì)胞膜十分困難。這表明組成細(xì)胞膜

的主要成分中有o

(3)1925年CorterGrendel用丙酮提取細(xì)胞膜的脂,并將它在空氣一水

界面上展開(kāi)時(shí),發(fā)現(xiàn)這個(gè)單層分子的面積相當(dāng)于原來(lái)細(xì)胞表面積的兩倍。由此可

以認(rèn)為細(xì)胞膜由組成。

(4)1970年,科學(xué)家用不同熒光來(lái)料標(biāo)記的抗體,分別與鼠和人細(xì)胞膜

上的一種抗原相結(jié)合,使它們分別產(chǎn)生綠色和紅色熒光。將兩種細(xì)胞融合成一個(gè)

細(xì)胞時(shí),開(kāi)始時(shí)一半呈綠色,另一半呈紅色,但在37c水浴中保溫40分鐘后,

融合細(xì)胞上的兩種顏色的熒光呈現(xiàn)均勻分布。這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,其原

因是o

參考答案:

(1)B(2)脂質(zhì)(3)磷脂雙分子層(4)細(xì)胞膜具有一定的流動(dòng)性

構(gòu)成細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)分子(抗原)是可以運(yùn)動(dòng)的

2.過(guò)程性評(píng)價(jià)表格

班別課題生物膜結(jié)構(gòu)的探索歷程

組長(zhǎng)成員

評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)

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