L-谷氨酰胺在细胞培养中的应用

L-谷氨酰胺为何对于细胞培养如此重要？

L-谷氨酰胺是一种常见的无血清培养基补充剂，用于生物制造应用、组织工程、杂交瘤培养等特种细胞培养以及其他常见哺乳动物细胞培养应用。然而，由于 L-谷氨酰胺是一种不稳定的必需氨基酸，因此大多数商业化的无L-谷氨酰胺培养基配方不是在基础培养基配方中包含了L-谷酰胺，就是需要在使用时在液体培养基里添加。

我们提供用于细胞培养的谷氨酰胺二肽或蛋白质水解产物。几种生物制造领域专用培养基添加的是二肽形式的L-谷氨酰胺，比如丙氨酰L-谷氨酰胺和甘氨酰L-谷氨酰胺。另一种还有待进一步研究的L-谷氨酰胺来源是蛋白质水解产物，尤其是麸质水解产物。如需无血清或无动物蛋白培养基，例如培养重组中国仓鼠卵巢细胞 (rCHO)时，小麦麸质是丰富的肽基谷氨酰胺来源。

• L-谷氨酰胺在细胞培养系统中的应用
• 谷氨酰胺在细胞培养基中的稳定性
• L-谷氨酰胺生物化学

作为经典细胞培养基中的补充物，L-谷氨酰胺浓度从Ames培养基的0.5 mM到MCDB 培养基131的10 mM 不等。生物制造和组织工程应用中用到的浓度通常为 2 到4 mM。

DMEM/F12 营养混合物中的最佳 L-谷氨酰胺浓度为 2.5 mM，而无血清/无蛋白杂交瘤培养基中的最佳 L-谷氨酰胺浓度为 2.7 mM。对于DMEM、GMEM、IMDM和 H-Y 培养基，最佳浓度为 4 mM。IMDM 通常用作专有杂交瘤细胞培养基的起始配方；在L-谷氨酰胺浓度高于培养基建议平均浓度条件下，杂交瘤细胞长得更好。

L-谷氨酰胺在细胞培养系统中的应用

鉴于L-谷氨酰胺的化学不稳定性和它对细胞生长和功能的重要性，有针对性地根据不同细胞的培养过程优化L-谷氨酰胺添加就显得尤为关键。谷氨酰胺的分子式为C5H10N2O3，分子量为146.15g/mol，等电点为5.65，pka为2.17和9.13。为了在细胞培养应用中有效地使用这种补充剂，需要了解 L-谷氨酰及其替代品的的化学性质及多种递送形式。

图 1. L-谷氨酰胺化学结构。

谷氨酰胺能支持有较高能需，并且合成大量蛋白及核酸的细胞的成长。它还可作为细胞快速分裂和无法有效使用葡萄糖类细胞的另一种能量来源。细胞需要谷氨酰胺中的氮原子来构建一些分子，比如核苷酸，氨基酸，氨基糖和维生素。

谷氨酰胺是谷氨酸前体。谷氨酸是作用于α-酮酸转氨形成其他α氨基酸的关键氨基酸。谷氨酰胺中酰胺和胺各含有一个氮原子；它还可将氮元素大量运送到细胞内，同时又没有游离胺的毒性。

当葡萄糖含量低而能量需求高时，细胞能分解氨基酸获得能量。谷氨酰胺中酰胺氮被用于维生素NAP和NADP，嘌呤核苷酸，UPT转CTP和天冬酰胺酸的合成。谷氨酰胺中的氮还可以用来生产嘧啶合成所需要的氨甲酰磷酸。谷氨酰胺是最易使用的可以作为能量来源的氨基酸之一。它也是许多体外细胞快速分裂的主要能量来源。

谷氨酰胺在细胞培养基中的稳定性

当谷氨酰胺作为蛋白质或者肽类的氨基酸残基时，它是稳定的。这种条件必需氨基酸是含有R基团酰胺的易溶中性氨基酸。由于它不稳定，在液体培养基中，不需要酶就能够分解成氨和焦谷氨酸（吡咯烷酮羧酸）。L-谷氨酰胺随时间分解程度取决于培养基的pH，温度和各种阴离子。

谷氨酰胺脱氨是一种氨去氨反应，可在酸性和碱性条件下发生。当培养基中存在磷酸盐或碳酸氢盐时，反应速度明显更快。液体培养基中的磷酸盐浓度固定时，去氨速率随着 pH 从 4.3 增加到 10 而递增。

L-谷氨酰胺生物化学

生成谷氨酸和谷氨酰胺的固氮反应需要消耗能量等价物，例如 NADH、NADPH 或 ATP。谷氨酸是由铵和α-酮戊二酸，一种三羧酸循环（TCA）中间物合成。这一合成需要NADH 或NADPH的氧化。谷氨酸合成所需要的酶谷氨酸脱氢酶(EC 1.4.1.4)和谷氨酸合成酶(EC 1.4.1.13)是可逆的。

细胞所用的铵（无机氮源）首先被加入到有机氮中，成为谷氨酸中的胺或谷氨酰胺中的酰胺。这两种氨基酸则可以作为蛋白质，核酸和其他含氮化合物合成的主要氮源库。体内产生（而非体外产生）的铵能通过尿素代谢。在某些体外条件下，氨在细胞外培养基中以铵离子的形式累积。

谷氨酰胺是由氨和谷氨酸分子合成。合成需要消耗ATP形式的能源。此合成所需要的酶，谷氨酰胺合成酶 (EC 6.3.1.2)，受到高度调控以控制谷氨酰胺的产出量，符合细胞需求。铵是细胞使用的无机氮源，最初以谷氨酸胺的形式掺入有机氮中。在包被的表面上，可以对贴壁细胞进行固定和染色。