肉堿是一種季銨化合物，參與大多數哺乳動物、植物和一些細菌的新陳代謝。 為了支持能量代謝， 堿將長鏈脂肪酸轉運到線粒體中被氧化以產生能量，并參與從細胞中清除代謝產物。 鑒于其關鍵的代謝作用， 堿集中在骨骼肌和心肌等組織中，這些組織將脂肪酸作為能量來源進行代謝。 一般來說，包括嚴格的素食者在內的個人體內會合成足夠的左旋肉堿。

肉堿作為兩種立體異構體之一存在（兩種對映體 d-肉堿 (S-(+)-) 和 l-肉堿 (R-(?)-)）。 兩者都具有生物活性，但只有左旋肉堿天然存在于動物體內，而右旋肉堿具有毒性，因為它會抑制左旋形式的活性。 在室溫下，純肉堿是一種白色粉末，是一種毒性相對較低的水溶性兩性離子。 源自氨基酸的 堿于 1905 年首次從肉類提取物中提取，因此得名于拉丁語 caro/carnis 或肉。

一些患有遺傳或醫學疾病的人（如早產兒）無法制造足夠的肉堿，需要膳食補充劑。 盡管運動員普遍食用肉堿補充劑以改善運動表現或恢復，但沒有足夠的高質量臨床證據表明它有任何好處。

許多真核生物都具有合成 堿的能力，包括人類。 人類從底物 TML（6-N-三甲基賴氨酸）合成 堿，后者又衍生自氨基酸賴氨酸的甲基化。 TML 然后被三甲基賴氨酸雙加氧酶 (TMLD) 羥基化為羥基三甲基賴氨酸 (HTML)，需要抗壞血酸和鐵的存在。 然后 HTML 被 HTML 醛縮酶（一種需要磷酸吡哆醛的酶）裂解，產生 4-三甲基氨基丁醛 (TMABA) 和甘氨酸。 TMABA 然后在 NAD+ 依賴性反應中脫氫成 γ-丁基甜菜堿，由 TMABA 脫氫酶催化。 然后，γ-丁基甜菜堿被γ-丁基甜菜堿羥化酶（一種鋅結合酶）羥基化為左旋肉堿，需要 Fe2+ 形式的鐵。

肉堿通過形成長鏈乙酰肉堿酯并由肉堿棕櫚酰轉移酶 I 和肉堿棕櫚酰轉移酶 II 轉運，參與跨線粒體膜轉運脂肪酸。 肉堿還通過接收或提供乙酰基的能力在穩定乙酰輔酶 A 和輔酶 A 水平方面發揮作用。

人體中 堿生物合成酶的組織分布表明 TMLD 在肝臟、心臟、肌肉、大腦中具有活性，在腎臟中活性最高。 HTMLA 活性主要存在于肝臟中。 TMABA 氧化速率在肝臟中最高，在腎臟中也具有相當大的活性。

從脂肪組織釋放到血液中的自由漂浮脂肪酸與被稱為血清白蛋白的載體蛋白分子結合，后者將脂肪酸運送到靶細胞（如心臟、骨骼肌和其他組織細胞）的細胞質中，在那里它們 用于燃料。 但在目標細胞可以使用脂肪酸進行 ATP 生產和 β 氧化之前，鏈長為 14 個或更多碳的脂肪酸必須被激活，然后通過 堿穿梭的三個酶促反應轉運到細胞的線粒體基質中。

堿穿梭的xxx個反應是一個兩步過程，由線粒體外膜中的酰基輔酶 A 合成酶的同工酶家族催化，它們通過在脂肪酸之間形成硫酯鍵來促進脂肪酸的活化 輔酶 A 的羧基和硫醇基生成脂酰輔酶 A。

在反應的xxx步中，酰基輔酶 A 合成酶催化單磷酸腺苷基團 (AMP) 從 ATP 分子轉移到脂肪酸上，產生脂肪酰基-腺苷酸中間體和焦磷酸基團 (PPi)。 由 ATP 中的兩個高能鍵水解形成的焦磷酸鹽立即被無機焦磷酸酶水解為兩個分子的 Pi。 該反應是高度放能的，可推動活化反應向前發展并使其更加有利。 在第二步中，胞質輔酶 A 的硫醇基團攻擊酰基腺苷酸，取代 AMP 形成硫酯脂酰輔酶 A。

在第二個反應中，酰基輔酶 A 瞬時連接到肉堿的羥基上，形成脂肪酰基肉堿。 這種酯交換由線粒體外膜中的一種酶催化，該酶稱為肉堿酰基轉移酶 1（也稱為肉堿棕櫚酰轉移酶 1，CPT1）。

形成的脂肪酰基肉堿酯隨后擴散穿過膜間隙并通過促進擴散進入基質。