細胞培養中的葡萄糖

葡萄糖在無血清真核細胞（包括雜交瘤和中國倉鼠卵巢 (CHO) 細胞）培養中的重要性和用途

。

葡萄糖是一種不含血清的培養基添加劑，可用於生物製造、組織工程和特殊培養基：

葡萄糖是一種可溶性己糖，添加到所有細胞培養基中，包括Ames培養基；Basal Medium Eagle (BME)；BGJb Medium Fitton-Jackson Modification；Click's Medium；CMRL-1066 Medium；Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM)；DMEM/Ham's Nutrient Mixture F-12 (50：50); F-12 Coon's Modification; Fischer's Medium; H-Y Medium (Hybri-Max^®); Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMDM); McCoy's 5A Modified Medium; MCDB Media；Medium 199；Minimum Essential Medium Eagle (EMEM)；NCTC Medium；Nutrient Mixture, Ham's F-10；Nutrient Mixture, Ham's F-12；Nutrient Mixture Ham's F-12 Kaighn's Modification (F12K)；RPMI-1640；Serum-Free/Protein Free Hybridoma Medium；Waymouth Medium MB；Williams Medium E 及各種專利培養基。

細胞培養配方中葡萄糖的含量從 1 g/L (5.5 mM) 到高達 10 g/L (55 mM) 不等。許多經典的培養基都添加了約 5.5 mM 的 D-葡萄糖，這接近於正常的血糖水平 在體內。這些培養基包括Ames培養基；Baseal Medium Eagle (BME)；Click「s Medium；CMRL-1066培養基；Fischer」s Medium；Medium 199；Minimum Essential Medium Eagle (EMEM)；NCTC Medium；以及Swim's S-77 Medium。MCDB 系列培養基的葡萄糖含量範圍為 3.9 至 10 mM。F-12 Coon's Modification 含 10 mM，RPMI-1640 和 Williams Medium E 含 11 mM 葡萄糖。

葡萄糖濃度接近 10 mM 時為糖尿病前期水平。

葡萄糖濃度接近 10 mM 是糖尿病前期水平，葡萄糖濃度高於 10 mM 則類似於細胞培養系統中的糖尿病狀態。這一點很重要，因為在體內會影響細胞和分子的相同過程也會在體外發生  。在基本上是糖尿病的條件下生長細胞的結果是，細胞和細胞製品會因為糖化和糖氧化的過程而改變。

在生物製造和組織工程中使用的專用培養基的設計中，有幾種重要的培養基被用作基礎培養基，其中都含有糖尿病水平的葡萄糖補充。DMEM/Ham's Nutrient Mixture F-12 (50:50) 含有 17.5 mM 的 D-葡萄糖；DMEM (Hi)、GMEM 和 IMDM 都含有 25 mM 水平的 D-葡萄糖；而 H-Y Medium (Hybri-Max^®) 和 Serum-Free/Protein Free Hybridoma Medium 則分別含有 22.6 和 28.9 mM 的 D-葡萄糖。這些葡萄糖含量需要特殊的配制策略，以保護細胞和細胞製品不受葡萄糖介導的氧化和羰基壓力的影響。有關 D-葡萄糖作為細胞培養添加劑的更完整討論，請造訪我們的 Media Expert^®.

.

葡萄糖在細胞培養系統中的主要功能：

動物細胞，即異養物，從耦合氧化還原反應中獲得能量。葡萄糖是異養動物的主要燃料。來自葡萄糖的能量以高能磷酸鍵的形式儲存在 ATP 或其他核苷酸三磷酸鹽中，並儲存在與輔酶 NADP 和 NAD 相關的富含能量的氫原子中。與這些高能量中間物的產生和利用有關的代謝途徑有

• 胞質糖酵解途徑
• 胞質磷酸戊糖分流，PPP
• 胞質：線粒體天冬氨酸：蘋果酸穿梭鹽
• 細胞質：線粒體甘油：磷酸穿梭液
• 半球體三羧酸循環，TCA
• 半球體電子傳輸鏈

高效的能量代謝和維持還原的細胞環境取決於這些通路在回應環境因素時的微妙平衡。

細胞進入：

葡萄糖在沒有轉運蛋白的協助下，無法擴散跨過細胞膜。目前已經發現至少 13 種具有不同功能的己糖轉運蛋白。有些己糖轉運蛋白能讓葡萄糖被動地從高濃度流向低濃度，而不需要消耗細胞能量。在體外， 外部葡萄糖濃度超過細胞內濃度。在這些條件下，被動的己糖轉運體非常重要。轉運體 Glut-2、Glut-3 和 Glut-5 主要存在於專門的組織中。Glut-1 和 Glut-4 則存在於各種類型的細胞上。許多細胞類型都有一種以上的己糖轉運體。

細胞防禦：

葡萄糖進入細胞後，主要經由己糖激酶磷酸化為葡萄糖-6-磷酸 (G6P)。G6P 可以轉換成葡萄糖-1-磷酸 (G1P)，或進入糖酵解或磷酸戊糖途徑。經由糖酵解和磷酸戊糖途徑 (PPP) 代謝的 G6P 量，是由磷酸果糖激酶 (PFK) 和葡萄糖-6-磷酸脫氫酶 (G6PD) 的相對活性所控制。

葡萄糖提供中和氧化物質（氧化壓力）所需的還原力，這些氧化物質在體內和體外形成  和 。細胞質的 NADP 會誘導 G6PD 將 G6P 轉換為 6-phospho-gamma-lactone 並啟動 PPP。同時，G6PD 將 NADP 還原為 NADPH。NADPH 是穀胱甘肽和硫氧還原素的主要還原劑，而穀胱甘肽和硫氧還原素是管理氧化壓力的兩個非常重要的分子。 如果細胞無法維持還原的細胞內環境，就會進入細胞凋亡。

葡萄糖透過磷酸戊糖通路的氧化分支進行代謝，提供了維持 NADPH 池所需的還原力。需要注意的是，G6PD 會在任何可以進行能量代謝的葡萄糖代謝物生成之前代謝 G6P。體外細胞 會受到氧化壓力，它們的存活和生長能力很可能會受到它們透過 PPP 產生 NADPH 的能力的顯著影響。

細胞能量：

當葡萄糖含量足夠時，其代謝物會通過 PPP 和糖酵解途徑形成甘油醛-3-磷酸 (G3P)。最終儲存為 ATP 的糖酵解能量來自於在甘油醛-3-磷酸層級及以下發生的反應。丙酮酸和維生素 NAD 在還原等價物轉移到線粒體系統的過程中有不同的作用。NAD 透過梭子繞過 TCA 循環將還原等價物輸送到電子傳輸系統，而丙酮酸則透過 TCA 循環將還原等價物輸送到電子傳輸系統。

NAD:NADH:

G3P轉化為丙酮酸的糖酵解過程由甘油醛-3-磷酸脫氫酶（G3PD）啟動。這個多步驟的過程會生成細胞質的 ATP 和 NADH。G3PD 反應取決於氧化的細胞質 NAD 的可用性。NAD 不會在線粒體和細胞質之間移動，而且細胞質 NAD 的數量是有限的。在高葡萄糖的情況下，除非細胞質 NADH 持續再氧化，否則甘油醛-3-磷酸會在細胞內累積。細胞氧化胞質 NADH 的方式有三種：天冬氨酸：蘋果酸穿梭反應、甘油：磷酸穿梭反應，以及丙酮酸轉換為乳酸的過程。

天門冬氨酸：蘋果酸梭狀動物：

天門冬氨酸：蘋果酸梭狀動物將 G3P 氧化過程中產生的還原等價物從細胞質 NADH 運送到線粒體基質中，成為蘋果酸。在此過程中，它會再生 NAD，讓 G3PD 用來維持糖酵解的進行。這個系統部分是由谷氨酰胺驅動的。

甘油磷酸穿梭機：

細胞可以透過甘油磷酸穿梭機再生細胞質中的 NAD。這個穿梭過程取決於細胞質（1.1.1.8）和線粒體甘油磷酸脫氫酶（EC 1.1.99.5）的活動。這些酵素在線粒體內外互相轉換磷酸二氫丙酮和甘油-3-磷酸酯，並有效地將還原等價物從細胞質的 NADH 轉移到位於線粒體內外膜之間的脫氫複合物。許多轉化細胞缺乏胞質磷酸甘油脫氫酶。

細胞乳酸脫氫酶

細胞乳酸脫氫酶 (LDH) 可以將丙酮酸轉換成乳酸，從而重新氧化細胞質體的 NADH。這是一個浪費的過程，會導致新陳代謝的死胡同。未被天冬氨酸：蘋果酸或甘油酯：磷酸穿梭反應氧化的 NADH 會被 LDH 代謝。細胞培養系統中乳酸的堆積證明穿梭機無法再氧化所有支持 G3P 分解所需的 NAD。

丙酮酸:

當葡萄糖的代謝物丙酮酸進入線粒體並脫羧為乙酰-CoA時，葡萄糖是細胞的潛在能量來源。線粒體內的乙酰-CoA 會轉換成檸檬酸，檸檬酸會供給三羧酸循環 (TCA)，或是從線粒體排出進入細胞質。如果檸檬酸進入 TCA 循環，可進一步代謝產生 ATP 和線粒體 NADH。線粒體 NADH 是還原等價物進入呼吸鏈的傳遞分子。大部分（但不是全部）的 ATP 都是在細胞線粒體氧化磷酸化過程中形成的。檸檬酸可經由三羧酸轉運系統離開線粒體，並捐獻其乙酰基以合成脂肪酸或異戊烯類。丙酮酸可能無法進入線粒體。它可能會被乳酸脫氫酶還原為乳酸。當細胞需要將 NADH 氧化成 NAD 以作為底物來維持糖酵解運作時，就會驅使此反應。丙酮酸與過氧化氫發生反應，形成水、二氧化碳和醋酸。

D-葡萄糖的化學特性使其成為有用的無血清培養基添加劑：

D-葡萄糖：

分子式：C₆H₁₂O₆

分子量：180.16

葡萄糖是一種六碳醛糖，以多種立體異構體形式以及線性或環化分子形式存在。D-Glucose 是動物細胞使用的天然形式。D 指的是 C5 碳原子周圍的不對稱性。當葡萄糖溶於水時，幾乎只以其環狀形式存在。α 和 β 指的是當葡萄糖呈環狀時，C1 碳原子周圍的不對稱性。α- 和 β- 形式可以相互轉換。

葡萄糖在正常生理溶液和介質中非常易溶，化學性質穩定。然而，葡萄糖是一種還原糖，可參與希夫碱形成和 Amadori 重排，導致細胞培養中的蛋白質糖化和羰基壓力。葡萄糖促進糖化和羰基應力的能力是造成生物製造分子（尤其是蛋白質）二次修飾的重要因素。

能增強雜交瘤、中國倉鼠卵巢 (CHO) 及其他哺乳類真核細胞在無血清培養物中生長的葡萄糖產品。

我們的《細胞培養基專家^® 》深入探討了這種和其他無血清和無蛋白質培養基補充品。Media Expert^® 包含有關原材料、元件使用建議、配方策略和參考資料的其他部分。當您對真核哺乳類動物細胞培養系統有任何疑問或問題時，請造訪培養基專家^® 以獲得有用的指導。