氨基酸是一种同时含有羧基（-COOH）和氨基（-NH2）的化学分子，是构成蛋白质的基本单位。在Eagle（1955）、Dulbecco和Freeman（1959）等人开创性地研究出了一种含有氨基酸、维生素的营养液（Dulbecco’s Modification of Eagles Medium, DMEM），使得细胞可以在体外进行单层贴壁培养开始，氨基酸就被认为是细胞体外培养必不可少的营养成分。
氨基酸化学式
氨基酸在细胞内的重要生理作用主要体现在以下几个方面：
- 氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，参与合成细胞内所有蛋白质，包括细胞骨架、酶、受体和信号分子等；
- 氨基酸可以用于合成某些具有重要生理作用的含氮化合物，如核酸、尼克酰胺等；
- 某些氨基酸还具有独特的生理作用，如甘氨酸参与生物转化作用，丙氨酸和谷氨酸参与细胞内氨的运输等；
- 氨基酸还可以转变成糖和脂肪，参与氧化途径并为细胞代谢提供能量。
下图展示了CHO细胞中氨基酸参与的细胞内代谢途径（绿色线条表示碳代谢途径，单字母表示氨基酸）。
图片来源：Kanehisa et al. 2014
氨基酸作为在大规模细胞培养中不可缺少的成分之一，对细胞的状态，高密度的维持以及蛋白产量、质量都发挥着重要的作用。并且细胞培养过程中氨基酸会随细胞表达的蛋白不同而发生变化和消耗，通常需要在细胞培养工艺的不同阶段添加不同成分和比例的氨基酸进行补充。
细胞能利用的氨基酸是L型同分异构体，D型氨基酸不能被利用。不同的细胞对氨基酸的需求各异，但根据细胞自身能否合成，可将常见的20种氨基酸分为必需氨基酸（Essential amino acids）和非必需氨基酸（Nonessential amino acids）。其中，必需氨基酸不能由细胞自身合成，只能从培养基中获取，包括组氨酸（L-Histidine）、异亮氨酸（L-Isoleucine）、亮氨酸（L-Leucine）、赖氨酸（L-Lysine）、甲硫氨酸（L-Methionine）、苯丙氨酸（L-Phenylalanine）、苏氨酸（L-Threonine）、色氨酸（L-Tryptophan）、缬氨酸（L-Valine）、半胱氨酸（L-Cysteine）、酪氨酸（L-Tyrosine）、精氨酸（L-Arginine）及谷氨酰胺（L-Glutamine），因此在细胞培养基配方中，必需氨基酸的浓度通常较高。非必需氨基酸（Nonessential amino acids）包括了丙氨酸（L-Alanine）、天冬氨酸（L- Aspartic acid）、天冬酰胺（L- Asparagine）、谷氨酸（L- Glutamic acid）、脯氨酸（L- Proline）、丝氨酸（L-Serine）、甘氨酸（Glycine），这些氨基酸虽然可以由细胞自身合成，或通过转氨作用由其他物质转化而来，但在细胞培养基中添加适当浓度的非必需氨基酸能减轻细胞在合成方面的负担，提高其他营养成分的利用率。除了上述20种编码蛋白质的氨基酸以外，在细胞培养基中常用到的还包括L-胱氨酸（由2个L-半胱氨酸以二硫键结合形成）和L-羟脯氨酸等。
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|
中文名称 |
英文名称 |
级别 |
CAS No. |
|
|
L-丙氨酰-L-谷氨酰胺 |
L-Alanyl-L-Glutamine |
细胞培养级 |
39537-23-0 |
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|
A1688 |
L-丙氨酸 |
L- Alanine |
欧洲药典、美国药典 |
56-41-7 |
|
A1668 |
L-天冬酰胺，一水 |
欧洲药典、美国药典 |
5794-13-8 |
|
|
A1701 |
L-天冬氨酸 |
L-Aspartic Acid |
欧洲药典、美国药典 |
56-84-8 |
|
A1425 |
L-半胱氨酸 |
L-Cysteine |
药典级 |
52-90-4 |
|
A1702 |
L-半胱氨酸盐酸盐,一水 |
L-Cysteine Hydrochloride 1-hydrate |
欧洲药典、美国药典 |
7048-04-6 |
|
A1703 |
L-胱氨酸 |
L-Cystine |
欧洲药典 |
56-89-3 |
|
A0622 |
L-胱氨酸盐酸盐 |
L-Cystine Dihydrochloride |
化学纯 |
30925-07-6 |
|
A1704 |
L-谷氨酸 |
L-Glutamic Acid |
欧洲药典、美国药典 |
56-86-0 |
|
A1420 |
L-谷氨酰胺 |
L-Glutamine |
欧洲药典、美国药典 |
56-85-9 |
|
141340 |
甘氨酸 |
Glycine |
欧洲药典、美国药典 |
56-40-6 |
|
A1705 |
L-羟脯氨酸 |
L-Hydroxyproline pure |
化学纯 |
51-35-4 |
|
A1440 |
L-异亮氨酸 |
L-Isoleucine |
欧洲、美国药典 |
73-32-5 |
|
A1426 |
L-亮氨酸 |
L-Leucine |
欧洲药典、美国药典 |
61-90-5 |
|
A1342 |
L-赖氨酸 一水 |
L-Lysine |
药典级 |
39665-12-8 |
|
A1706 |
L-赖氨酸盐酸盐 |
L-Lysine Monohydrochloride |
欧洲药典、美国药典 |
657-27-2 |
|
A1340 |
L-甲硫氨酸 |
L-Methionine |
欧洲药典、美国药典 |
63-68-3 |
|
A1344 |
L-苯丙氨酸 |
L- Phenylalanine |
欧洲药典、美国药典 |
63-91-2 |
|
A1707 |
L-脯氨酸 |
L- Proline |
欧洲药典、美国药典 |
147-85-3 |
|
A1708 |
L-丝氨酸 |
L-Serine |
欧洲药典、美国药典 |
56-45-1 |
|
A1419 |
L-苏氨酸 |
L-Threonine |
欧洲药典、美国药典 |
72-19-5 |
|
A1645 |
L-色氨酸 |
L-Tryptophan |
欧洲药典、美国药典 |
73-22-3 |
|
A1677 |
L-酪氨酸 |
L-Tyrosine |
欧洲药典、美国药典 |
60-18-4 |
|
A1637 |
L-缬氨酸 |
L-Valine |
欧洲药典、美国药典 |
72-18-4 |
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参考文献：
- Salazar A, Keusgen M , Hagen J V . Amino acids in the cultivation of mammalian cells[J]. Amino Acids, 2016, 48(5).
- Ritacco F V , Wu Y , Khetan A. Cell culture media for recombinant protein expression in Chinese hamster ovary (CHO) cells: History, key components, and optimization strategies[J]. Biotechnology Progress, 2018, 34(6).