1. 脂肪酸转运至线粒体：左旋肉碱在细胞内促进脂肪酸进入线粒体进行β氧化。它与长链脂肪酸结合形成酯化物，通过线粒体外膜的左旋肉碱/酯化物转运蛋白（CACT）进入线粒体。在线粒体基质中，左旋肉碱酯化酶2（CPT2）将脂肪酰基从左旋肉碱转移给辅酶A（CoASH），生成酰辅酶A，这是β氧化过程的起点。
2. 调节脂肪酸代谢：左旋肉碱参与调节脂肪酸合成与氧化的平衡。通过影响马洛酰辅酶A（malonylCoA）的水平，它间接调控脂肪酸的合成速率，因为马洛酰辅酶A是脂肪酸合成的关键中间体，同时它的高水平会抑制脂肪酸的氧化。
3. 肌肉能量代谢：左旋肉碱在肌肉细胞中的转运对能量代谢至关重要，通过调节肌肉中的左旋肉碱转运蛋白，确保肌肉在需要时有足够的左旋肉碱来促进脂肪酸的氧化，从而产生ATP，支持肌肉活动。
左旋肉碱在运动时的作用还包括提高能量、耐力和运动表现，增强心肌细胞氧化脂肪的能力，以及提升高密度脂蛋白（HDL，“好”胆固醇）水平，有助于心血管健康。其在神经代谢中的作用尚不完全明了，特别是涉及到特定类型的肉碱载体和酶的神经元功能。
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