3-ヒドロキシ酪酸

3-ヒドロキシ酪酸（英語: 3-Hydroxybutyric acid、略称: 3HB）は、生体内で生成される有機化合物の一つで、代謝的な関連性からケトン体の一員として扱われます。構造上はカルボン酸と水酸基を持つヒドロキシ酸であり、厳密な化学的定義におけるケトン基は持っていません。

化学的特徴

本化合物は分子内に不斉炭素原子を持つため、光学異性体であるD-3-ヒドロキシ酪酸とL-3-ヒドロキシ酪酸の二つのエナンチオマーが存在します。生体内で主に合成され、生理的な機能を発揮するのはD体（または(R)-体）です。

生体内における代謝と機能

生成と代謝経路

ヒトを含む哺乳類の体内では、主に肝臓において合成されます。原料となるのは、脂肪酸の分解などによって供給されるアセチルCoAです。脂肪酸のβ酸化が亢進し、糖新生などに利用されない余剰なアセチルCoAが蓄積すると、ケトン体合成経路へと導かれます。

この経路では、アセチルCoAから中間体を経てアセト酢酸が生成され、さらにアセト酢酸が酵素（3-ヒドロキシ酪酸脱水素酵素など）によって還元されることで3-ヒドロキシ酪酸が生成されます。この反応は可逆的であり、体内の酸化還元状態に応じてアセト酢酸との間で相互に変換されます。血中においては、アセト酢酸に比べて安定性が高いため、代謝的にケトン体が増加した状態では3-ヒドロキシ酪酸が主要なケトン体成分として多くを占めます。

ケトーシス状態での役割

3-ヒドロキシ酪酸を含むケトン体の血中濃度は、ケトーシスと呼ばれる代謝状態において著しく上昇します。ケトーシスは、エネルギー源であるグルコースの供給が不足したり、利用が制限されたりする状況、例えば長時間の絶食や飢餓、極端な糖質制限食（ケトジェニック・ダイエット）、あるいはインスリン作用が不足するコントロール不良の糖尿病などで発生します。

これらの状態では、体が脂肪を分解してエネルギーを得ようとするため、脂肪酸のβ酸化が活性化し、肝臓でのアセチルCoA産生が飛躍的に増加します。過剰なアセチルCoAはケトン体合成へと振り向けられ、多量の3-ヒドロキシ酪酸が合成されて血液中に放出されるのです。

エネルギー源としての機能

血中に放出された3-ヒドロキシ酪酸は、全身の様々な組織、特に脳や骨格筋などに運ばれます。これらの組織細胞のミトコンドリア内で、3-ヒドロキシ酪酸は再びアセト酢酸に酸化され、さらにアセトアセチルCoA、そしてアセチルCoAへと代謝されます。最終的に生成されたアセチルCoAは、クエン酸回路に入って代謝され、ATP（アデノシン三リン酸）という形で細胞が活動するためのエネルギーを産生します。

通常、脳はエネルギー源としてグルコースに大きく依存していますが、飢餓時などグルコースの供給が限られた状況下では、血液脳関門を通過できるケトン体、とりわけ3-ヒドロキシ酪酸が重要な代替エネルギー源として利用されます。これにより、厳しいエネルギー制限下でも脳の機能が維持されることに貢献しています。

産業分野での応用

3-ヒドロキシ酪酸は、生体内の代謝物としての役割だけでなく、工業的な応用も進んでいます。特に、環境に優しい生分解性プラスチックの製造において重要な原料の一つです。微生物（細菌など）は、特定の条件下で細胞内にエネルギー貯蔵物質としてポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を蓄積しますが、このPHAの一種であるポリヒドロキシ酪酸（PHB）は、3-ヒドロキシ酪酸が多数重合したポリマーです。微生物を用いた発酵法により生産された3-ヒドロキシ酪酸やPHBは、生分解性の高いプラスチック素材として利用されています。

3-ヒドロキシ酪酸