氨基酸是一種分子中具有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的化合物，具有共同的基本結構并含有復合官能團，是構成蛋白質的基本單位。氨基酸可按照氨基連在碳鏈上的不同位置而分為α-，β-，γ-，ω-...氨基酸，但經蛋白質水解后得到的氨基酸都是α-氨基酸或亞氨基酸，根據其化學結構的不同，可以分為脂肪族、芳香族和雜環氨基酸。

氨基酸作為在大規模細胞培養中不可缺少的成分之一，對細胞的狀態，高密度的維持以及蛋白產量、質量都發揮著重要的作用。在細胞培養過程中，氨基酸會隨細胞表達的蛋白不同而發生變化和消耗，通常需要在細胞培養工藝的不同階段添加不同成分和比例的氨基酸進行補充。

氨基酸化學式

氨基酸在細胞內的作用主要體現在以下幾個方面：

• 氨基酸作為蛋白質的基本組成單位，參與合成細胞內所有蛋白質，包括細胞骨架、酶、受體和信號分子等；
• 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；
• 某些氨基酸還具有獨特的生理作用，如甘氨酸參與生物轉化作用，丙氨酸和谷氨酸參與細胞內氨的運輸等；
• 氨基酸還可以轉變成糖和脂肪，參與氧化途徑并為細胞代謝提供能量。

下圖展示了CHO細胞中氨基酸參與的細胞內代謝途徑（綠色線條表示碳代謝途徑，單字母表示氨基酸）。

圖片來源：Kanehisa et al. 2014

細胞能利用的氨基酸是L型同分異構體，D型氨基酸不能被利用。不同的細胞對氨基酸的需求各異，但根據細胞自身能否合成，可將常見的20種氨基酸分為必需氨基酸（Essential amino acids）和非必需氨基酸（Nonessential amino acids）。其中，必需氨基酸不能由細胞自身合成，只能從培養基中獲取，包括組氨酸（L-Histidine）、異亮氨酸（L-Isoleucine）、亮氨酸（L-Leucine）、賴氨酸（L-Lysine）、甲硫氨酸（L-Methionine）、苯丙氨酸（L-Phenylalanine）、蘇氨酸（L-Threonine）、色氨酸（L-Tryptophan）、纈氨酸（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），因此在細胞培養基配方中，必需氨基酸的濃度通常較高。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）、絲氨酸（L-Serine）、甘氨酸（Glycine），這些氨基酸雖然可以由細胞自身合成，或通過轉氨作用由其他物質轉化而來，但在細胞培養基中添加適當濃度的非必需氨基酸能減輕細胞在合成方面的負擔，提高其他營養成分的利用率。除了上述20種編碼蛋白質的氨基酸以外，在細胞培養基中常用到的還包括L-胱氨酸（由2個L-半胱氨酸以二硫鍵結合形成）和L-羥脯氨酸等。

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參考文獻：

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