左旋肉碱的生理功能

背景及概述^[1]

左旋肉碱(L-carnitine)，又称左卡尼汀、肉毒素或维生素BT，是一种促使脂肪转化为能量的类氨基酸，对人体无不良反应。它广泛存在于机体中，肉碱属于类维生素，是人体自身合成的营养。左旋肉碱是一种天然的，身体脂肪代谢必需的内在物质。在流行的低脂高碳饮食以及高压力工作环境下，每天从膳食中摄入的左旋肉碱不到50mg，而为使身体达到理想的健康状态，普通成人每日膳食应不少于500mg的肉碱，事实上，只靠人体合成和普通饮食来源目前还不能达到最理想的肉碱摄入水平。近年来，左旋肉碱作为一种新型的机能性食品添加剂风靡欧美日等地。由于其安全、稳定性好，左旋肉碱作为一种人体营养强化剂和补充物正受到有关方面的重视，得到了广泛应用，为世界各国普遍接受，国内也有含肉碱的婴儿奶粉及营养品上市。左旋肉碱主要添加于婴儿奶粉、老年人食品及运动员、高强度作业者食品和饮料中，或用于肥胖者以及糖尿病患者的食品等。它不仅用于食品，而且在饲料和医疗方面也有应用，具有非常广阔的市场前景。

化学结构^[1]

肉碱有L型、D型和DL型，但在水中肉碱拥有L型和D型两种形式，自然界中只存在L型，哺乳动物中也只存在L型。只有L型肉碱才具有生物活性，D肉碱和D左旋肉碱完全无活性，且它们是左旋肉碱的竞争性抑制剂，抑制左旋肉碱的利用，因此通常所指的肉碱都是指左旋肉碱。左旋肉碱为肉碱系季胺(3-羟基-a-三甲基-氨基丁酸)，化学名为(3R)-(-)-3-羟基-4-三甲铵丁酸(β-羟基-γ-氨基丁酸)［9］，英文名为(3R)-(-)-3-hydroxy-4-(trimethylammonio)butanoate，化学式C7H15O3N，分子量为162.2，熔点210～212℃，旋光度［α］D20=－29.5～32.00(200℃，0.1，H2O)。当pH为中性时，左旋肉碱以内酯的形式存在，左旋肉碱(内酯)表观为白色结晶粉末，易吸潮，略有特殊腥味，为两性化合物，稳定性较好，可在pH3～6的溶液中放置1年以上，能耐200℃以上的高温，它的组合键和官能团具有较好的溶水性和吸水性。在皮肤上展示出高的保湿性能，因此可以在各种保湿的霜膏、柔肤水中使用。

来源^[1]

肉碱属于类维生素，左旋肉碱广泛存在于动植物、微生物体内，是微生物、动物及植物的基本成分之一。人体主要有2种来源：①从膳食中摄取。其中以肉类和乳制品最丰富，蔬菜、谷类水果含量极微甚至无。成人体内含肉碱20g左右，机体主要是靠红色肉类补充。通常植物性食物中肉碱含量低，动物性食物中肉碱含量高。动物性食品中，肉类中含量最高(如山羊肉中左旋肉碱的含量2100mg/kg)，内脏次之，蛋类中极少。大多数动物体有能力合成左旋肉碱，哺乳动物在骨骼肌肉、心脏肌肉含有大量的左旋肉碱。②内源性合成。在赖氨酸(其中以L-赖氨酸为主)、蛋氨酸、维生素C、烟碱、维生素B6和还原铁等的参与下，由人体的肝、肾、脑等主要部位，经过5步反应合成左旋肉碱。由于赖氨酸对热敏感，因此我国人民的饮食习惯容易造成肉碱的缺乏，而肉碱的缺乏会引发许多疾病。肉碱的生物合成起始于体内必需氨基酸、赖氨酸和甲硫氨酸，富含赖氨酸的蛋白质在蛋白质甲基化酶的催化下，由S-腺苷甲硫氨酸供给甲基将多肽链中的赖氨酸转化为ε-三甲赖氨酸，随后通过体内蛋白酶水解生成三甲赖氨酸，三甲赖氨酸再经过4步酶促反应生成肉碱。

生理功能^[1]

左旋肉碱是一种天然存在的类维生素的营养素，与动物体内的脂肪酸代谢密切相关，具有多种生理功能的氨基酸物质。

1）调节线粒体内酰基比率

线粒体内酰基CoACoA比率的稳定对能量代谢有重要作用，若线粒体基质中的乙酰基不及时运出，乙酰CoACoA比率上升，对丙酮酸脱氢酶有抑制作用，从而影响能量代谢。肉碱为载体以酰基肉碱形式将线粒体内的短链酰基运送到膜外，起到调节线粒体内酰基CoA与CoA比率的作用，并为细胞质中脂肪酸合成提供乙酰基。脂肪酸经内质网及线粒体外膜上脂酰辅酶A(CoA)合成酶催化生成脂酰CoA，脂酰CoA与左旋肉碱经线粒体外膜上的左旋肉碱脂酰转移酶Ⅰ催化合成脂酰左旋肉碱，脂酰左旋肉碱可在线粒体内膜脂酰左旋肉碱转位酶作用下通过内膜进入线粒体基质，并在线粒体内膜内侧的肉碱脂酰转移酶Ⅱ作用下生成脂酰CoA，并释放出左旋肉碱。

2）促进脂肪酸β-氧化

长链脂肪酸是脂肪的主要成分，在人体内代谢时以甘油三酯的形式由淋巴管进入静脉，被输送并储存在人体各组织中，容易累积形成脂肪。左旋肉碱在脂肪酸分解过程中起着关键性的作用，如果缺乏，脂肪酸的分解供能将中断，生命活动将发生障碍。左旋肉碱主要的功能是作为载体以脂酰肉碱的形式将长链脂肪酸从线粒体膜外转运到膜内，在线粒体内进行β-氧化。促进三羧酸循环的正常进行，从而产生三磷酸腺苷功能，协助细胞完成正常的生理功能和能量代谢。

3）抗疲劳功能

乳酸是机体糖无氧酵解的终产物，是导致机体疲劳的重要原因。乳酸在体内积累的程度取决于乳酸产生大于清除的速度。左旋肉碱能够明显延长小鼠负重游泳时间，具有抗疲劳作用，而其抗疲劳的作用机理主要与左旋肉碱能够增加肌糖苷原储备，减少运动后肌糖原消耗，抑制乳酸生成，加速乳酸和尿素氮清除有关。左旋肉碱可以通过增加脂肪酸氧化供能减少肌糖原的无氧酵解，抑制乳酸生成，同时加速消除运动中积累的乳酸，而延缓运动性疲劳的产生。

4）排毒作用

肉碱可参加支链氨基酸代谢产物的运输，从而促进了支链氨基酸的正常代谢。左旋肉碱可排出体内过量的或非理性的酰基团，消除机体因酰基积累而造成的代谢毒性；还能促进乙酰乙酸的氧化，在酮体的消除和利用中起作用；防止动物体内过量氨产生的毒性，可作为生物抗氧化剂清除自由基，维持膜的稳定，提高动物的免疫力以及抗病抗应激的能力。研究发现肉碱有类似精氨酸、鸟氨酸的作用，促进尿素循环，使氨降解为尿素，解除氨的毒性。

5）影响氨基酸的代谢

一些支链酰基是亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的代谢产物，支链酰基的及时运出有利于这些氨基酸的正常代谢。左旋肉碱在体内由蛋氨酸和缬氨酸等原料合成，它们的代谢起负反馈调节作用；另外，线粒体内的一些支链酰基是亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的代谢物，左旋肉碱作为载体把支链酰基及时运出，有利于这些氨基酸的正常代谢。可参加支链氨基酸代谢产物的运输，从而促进了支链氨基酸的正常代谢。

6）其他生理功能

左旋肉碱有储存能量和把能量从一个器官细胞传到另一个器官细胞的功能。左旋肉碱和乙酰左旋肉碱合用治疗减少弱精子症，可显著提高每次射精中前向运动精子和运动精子总数，提高女方临床妊娠率，安全有效。研究表明，左旋肉碱对脂溶性维生素及钙、磷的吸收也有一定作用。向腹透液中加入左旋肉碱，一方面可以改善尿毒症患者肉碱缺乏所致的一系列症状，同时改善腹透液长期高糖作用对腹膜见皮细胞增值的抑制，减少高糖诱导腹膜间皮细胞凋亡。尿毒症患者由于合成减少，摄入不足可导致体内肉碱缺乏。左旋肉碱对高血脂、急性氨中毒和神经系统疾病也有效果。

应用^[2]

左旋肉碱是一种非常重要的营养素，其主要功能是以脂酰肉碱的形式将长链脂肪酸从线粒体膜外运送至膜内，从而促进脂肪酸的β-氧化，并调节线粒体内酰基CoA/疏基CoA比率，且具有酰基化解毒作用。左旋肉碱同时也能有效降低运动后血中乳酸的浓度。正是这些特性使左旋肉碱在食品添加剂、饲料添加剂和药物方面有广泛应用。

1. 作为食品添加剂

人体所需要的左旋肉碱有2种来源，一是靠人体以赖氨酸、蛋氨酸为原料在肝中合成，另一来源是从食物摄取，尤其是肉类和乳制品。健康成人只要膳食合理，一般不需要补充左旋肉碱，而婴儿及患有左旋肉碱缺乏症的人需要额外补充左旋肉碱。婴儿体内左旋肉碱的合成能力只有成人的15%，不能满足其正常的代谢需要，并且婴儿生长发育速度快，所需的左旋肉碱的量大，母乳中左旋肉碱的含量较高，一般情况下能满足婴儿生长发育的需要。但现在随着社会环境的变化，许多母亲由于各种原因不能母乳喂养婴儿，往往选用奶粉喂养婴儿，因此需在奶粉中加入适量的左旋肉碱。国内外的研究者还发现对运动员补充适量的左旋肉碱可以极大地提高运动员的耗氧量和运动时的能量输出，而且明显地减少二氧化碳的产生和血浆中乳酸的浓度。因此可在运动功能食品中加入适量的左旋肉碱。由于左旋肉碱具有促进脂类代谢和间接促进能量生成的作用，肥胖人员通过补充左旋肉碱，并辅以适当运动，会有较好的减肥效果。所以左旋肉碱也是减肥健美食品添加剂。临床表明左旋肉碱具有抗心肌缺血，抗心率失常，降血脂等作用，随着年龄的增大，体内的左旋肉碱不断减少，导致心肌细胞活力减退，故老年人需要补充左旋肉碱，可在老年保健食品中添加左旋肉碱。

2. 作为饲料添加剂

研究表明左旋肉碱有促进生猪的生长，提高瘦肉率，提高鸡的产蛋率，加快鱼虾的生长速度等作用。随着工厂化集约式养殖业的发展，必然要求畜禽高繁殖率及快速生长，常规饲料中的左旋肉碱含量往往不能满足新生哺乳幼畜、应激状况下的禽畜的需要，需额外在饲料中加入左旋肉碱，才能发挥其的生长潜能。

3. 作为药物

左旋肉碱可用于治疗尿毒症贫血，缓解内毒素血症和保护肝功能，减轻CO中毒后心肌损伤和横纹肌损伤，改善精子活力，提高配偶妊娠机率等。

制备^[1]

步骤：催化剂[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl的制备

取市场上采购的手性配体S-BINAP(0.535g，0.85mmol)和钌化合物[Ru(p-cymene)Cl2]2(0.29g，0.47mmol)于三颈瓶中，在N2保护下加入无水乙醇60mL和CH2Cl220mL，升温至50-60℃搅拌反应20h，减压除溶剂后，得0.87g红棕色产物[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl[氯代[(S)-(-)-2，2′-双(二苯基膦)-1，1′-联萘](p-伞花素)氯化钌(II)]。

步骤2：中间体(R)-(-)-4-氯-3-羟基丁酸乙酯的制备

取80g的4-氯乙酰乙酸乙酯于装备聚四氟衬管的高压釜中，将高压釜封闭好后，用5kgf/cm2的纯H2(99.99％)洗高压釜10余次后，向高压釜中充氢待用。在H2气氛下将催化剂[RuCl(cymene)(S-BINAP)]Cl(30mg)溶解于300mL的乙酸乙酯溶液中，用注射器小心将其加入高压釜中，继续充氢至5kgf/cm2后，升温至80℃左右，静置约20min后，开始搅拌，在此温度下反应6h后，停止反应，取出物料后经减压蒸馏除去低级烷基酯类溶剂即得高纯度产品。经GC分析产物。转化率大于99％，ee值96％。

步骤3：左旋肉碱的制备

取上述产物-4-氯-3-羟基丁酸乙酯(4.5g)于圆底烧瓶中，加入33％Me3N20mL，用翻口橡皮塞密封，升温至80℃，搅拌反应5h，停止反应，减压蒸馏除去未反应的Me3N后，加入10％的盐酸溶液40mL，继续在100℃下搅拌反应6h，冷至室温，加入CH2Cl220mL，室温下搅拌过夜，分离收集水溶液，真空旋干，得棕褐色粘稠状粗产物。取预先制备好的阴离子交换树脂约200-300mL，参照硅胶湿法装好树脂柱，在顶层小心放置一层玻璃纤维，将上述粘稠状粗产物倒入装好的柱中，用去离子水淋洗，控制滴液速度大约为1-2mL/min，当流出溶液的pH＞8时开始收集，收集至流出液的pH约为8时停止收集。将所得的溶液减压抽干。用乙醇/丙酮(1/7)重结晶，得到无色针状晶体(左旋肉碱)，将所得肉碱产品于60-80℃下真空干燥1-2小时即得纯品，产量4.0g，收率为86％。测定上述所得产品的比旋光度为，[α]D23-30.1。

主要参考资料

[1] 左旋肉碱的生理功能及在功能性食品中的应用

[2] 左旋肉碱的合成与应用

[3] CN201210089733.8一种左旋肉碱的制备方法