甜菜碱化学名为三甲基甘氨酸或三甲胺乙内酯，分子式为C5H11NO2，相对分子质量117.15。属两性化合物，在水溶液中呈中性，白色棱状或叶片状结晶，熔点293℃，能耐低于200℃的高温，具有很强的抗氧化性、保湿性。其水合式溶于水、甲醇和乙醇，微溶于乙醚。室温下在空气中极易吸潮而潮解，其味甘甜。分子结构有2个特点：一是电荷在分子内分布呈中性；二是具有3个活性甲基。

甲基是合成蛋氨酸、胆碱、肌酸、磷脂、肾上腺素、核糖核酸和脱氧核糖核酸等具有重要生理作用物质所必须的基团，在免疫、神经、泌尿、消化等系统中起着重要作用。甜菜碱是生物体内最有效的甲基供体，动物体内甲基来源主要为甜菜碱、胆碱和蛋氨酸，三者理论上的供甲基能力为3.7︰1.6︰1，然而同位素研究证明，甜菜碱作为甲基供体效率高于胆碱12-15倍。

胆碱在线粒体中在VB12和核黄素的参与下可转化为甜菜碱，金属离子、离子型抗球虫药等可抑制胆碱在线粒体中的转化。甜菜碱的转甲基作用受到甲基转移酶（BHMT）和β-胱硫醚合成酶（β-CYST）的双向调控，即在机体甲基不足时，甜菜碱能显著提高动物肝中BHMT的活力，使高半胱氨酸接受甜菜碱的甲基，合成蛋氨酸；而在甲基满足机体需要时，则通过提高β-CYST活性，促使高半胱氨酸通过转硫途径形成胱硫醚，使机体甲基代谢途径处于稳定的动态平衡。高半胱氨酸只能由蛋氨酸在体内代谢产生，因此甜菜碱不能取代蛋氨酸的作用，但能够节省蛋氨酸用量。

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