細胞培養中的 L-谷氨酰胺

L-glutamine is a common a serum-free medium supplement 用於生物製造應用、組織工程、特殊細胞培養 (如雜交瘤培養) 及其他一般哺乳類動物細胞培養應用。然而，由於 L-麩胺酸是一種不穩定的必需胺基酸，因此大多數市售的培養基都是在基本配方中加入游離 L-麩胺酸，或是在使用時加入液體配方中。

我們提供二肽或蛋白水解物形式的細胞培養用麩胺酸。一些生物製造中使用的專有培養基添加了二肽形式的 L-谷氨酰胺，例如丙氨酰-l-谷氨酰胺和甘氨酰-l-谷氨酰胺。另一種不太明確的 L-麩胺酸來自蛋白水解物，尤其是麩質水解物。對於不含血清或動物蛋白質的培養基需求，例如培養重組的中國倉鼠卵巢細胞 (rCHO)，小麥麩質是肽谷氨酰胺的豐富來源。

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• L-glutamine Biochemistry

Ames'Medium中的L-谷氨酰胺濃度為0.5 mM，而MCDB Media 131中的L-谷氨酰胺濃度則為10 mM。在生物製造和組織工程應用中，這些培養基的較典型濃度為 2 到 4 mM。

在 DMEM/F12 Nutrient Mixture 中，L-谷氨酰胺的最佳濃度為 2.5 mM，而在雜交瘤培養基中則為 2.7 mM。對於 DMEM、GMEM、IMDM和 H-Y 培養基，最佳濃度為 4 mM。IMDM 常常被用作專用雜交瘤細胞培養基的起始配方；雜交瘤細胞在 L-谷氨酰胺濃度高於培養基平均水平時生長得更好。

細胞培養系統中的 L-麩胺酰胺

由於其化學不穩定性以及對細胞生長和功能的重要性，因此 L-麩胺酰胺的輸送對每個獨特的細胞培養過程進行最佳化是至關重要的。Glutamine 的分子式為 C₅H₁₀N₂O₃，分子量為 146.15g/mol，等電點為 5.65，pka 為 2.17 和 9.13。要在細胞培養應用中有效地使用補充劑，就必須瞭解這種化學作用以及 L-麩胺酸及其替代物的多種輸送形式。

圖 1. L-glutamine 化學結構。

麩胺酸有助於能量需求高、合成大量蛋白質和核酸的細胞生長。它也是快速分裂的細胞和使用葡萄糖效率低的細胞的另一種能量來源。

谷氨酰胺是谷氨酸的前體，谷氨酸是α-酮酸轉化形成其他α-氨基酸的關鍵氨基酸。

麩胺酸是谷氨酸鹽的前體，是用於α-酮酸轉化形成其他α-氨基酸的關鍵氨基酸。它含有一個酰胺態氮原子和另一個胺態氮原子；它還能夠向細胞運輸和提供氮，其數量不像游離氨那樣具有毒性。

當葡萄糖含量低而能量需求高時，細胞可以代謝氨基酸來獲得能量。谷氨酰胺中的氮被用於合成維生素 NAD 和 NADP、嘌呤核苷酸、來自 UTP 的 CTP 和天冬酰胺。最初儲存在谷氨酰胺中的氮也可以用來產生磷酸氨基甲酰，以合成嘧啶。谷氨酰胺是最容易獲得的氨基酸之一，可用作能量來源，而且它是許多快速分裂細胞類型在體外的主要能量來源。

谷氨酰胺在細胞培養基中的穩定性

當谷氨酰胺作為氨基酸殘基存在於蛋白質或縮氨酸中時，它是穩定的。這種條件必需胺基酸是一種可自由溶解的中性胺基酸，含有一個 R 基的醯胺。由於它不穩定，所以在液體媒介中會非酶分解成氨和焦谷氨酸（吡咯烷酮羧酸）。隨著時間的推移，L-谷氨酰胺的分解與 pH 值、溫度和各種陰離子的存在有關。

谷氨酰胺脫氨基（即移除氨基的反應）會在酸性和碱性條件下發生。在介質中含有磷酸鹽或碳酸氫鹽時，反應發生得更快。在液體培養基中的磷酸濃度固定時，脫氨基速率會隨著 pH 值從 4.3 增加到 10 而增加。

L-谷氨酰胺生物化學

將氮固定為谷氨酸和谷氨酰胺的反應會消耗能量等效物，例如 NADH、NADPH 或 ATP。谷氨酸是由氨和α-酮戊二酸合成的，α-酮戊二酸是三羧酸 (TCA) 循環的中間體。這種合成需要 NADH 或 NADPH 的氧化作用。參與谷氨酸合成的酵素--谷氨酸脫氫酶（EC 1.4.1.4）和谷氨酸合成酶（EC 1.4.1.13）--是可逆的。

氨是細胞使用的一種無機氮源，最初以谷氨酸的胺或谷氨酰胺的形式納入有機氮。這兩種氨基酸是合成蛋白質、核酸和其他含氮化合物的主要氮庫。在體內產生的氨可代謝成尿素，但在體外則不然。

谷氨酰胺是由氨和谷氨酸分子合成的。這種合成會消耗 ATP 形式的能量。負責這種合成的酵素--谷氨酰胺合成酶（EC 6.3.1.2）受到高度調控，以限制谷氨酰胺的產生量來滿足細胞的需求。谷氨酰胺分解成谷氨酸和氨的過程是由稱為谷氨酰胺酶（EC 3.5.1.2）的線粒體酵素介導的。