베타-하이드록시뷰티르산

β-하이드록시뷰티르산(영어: β-hydroxybutyric acid) 또는 3-하이드록시뷰티르산(영어: 3-hydroxybutyric acid)은 화학식이 CH3CH(OH)CH2CO2H인 유기 화합물이며 β-하이드록시산이다. β-하이드록시뷰티르산의 짝염기는 β-하이드록시뷰티레이트(영어: β-hydroxybutyrate) 또는 3-하이드록시뷰티레이트(영어: 3-hydroxybutyrate)로 알려져 있다. β-하이드록시뷰티르산은 2가지 거울상 이성질체인 D-β-하이드록시뷰티르산 및 L-β-하이드록시뷰티르산을 갖는 카이랄 화합물이다. β-하이드록시뷰티르산의 산화된 유도체 및 중합된 유도체는 자연에서 광범위하게 생성된다. 사람에서 D-β-하이드록시뷰티르산은 Gi/o-연결 G 단백질 연결 수용체(GPCR)인 하이드록시카복실산 수용체 2(HCA2)의 내인성 작용제 중 하나이다. 사람에서 D-β-하이드록시뷰티르산은 간에서 지방산 대사(예: 뷰티르산), β-하이드록시 β-메틸뷰티르산 및 케톤체생성성 아미노산의 대사를 통해 합성될 수 있다. 케톤체생성성 아미노산은 이들 화합물을 아세토아세트산으로 대사하는 일련의 반응들을 통해 합성될 수 있는데, 아세토아세트산은 단식 상태에서 제일 먼저 생성되는 케톤체이다. 아세토아세트산으로부터 D-β-하이드록시뷰티르산의 생합성은 β-하이드록시뷰티르산 탈수소효소에 의해 촉매된다. 뷰티르산은 또한 대사 중간생성물로 아세토아세트산을 포함하지 않는 제2의 대사 경로를 통해 D-β-하이드록시뷰티르산으로 대사될 수 있다. 이러한 대사 경로는 다음과 같다. 뷰티르산 → 뷰티릴-CoA → 크로토닐-CoA → β-하이드록시뷰티릴-CoA → 폴리하이드록시뷰티르산 → D-β-(D-β-하이드록시뷰티릴옥시)-뷰티르산 → D-β-하이드록시뷰티르산 D-β-(D-β-하이드록시뷰티릴옥시)-뷰티르산의 D-β-하이드록시뷰티르산으로의 전환을 포함하는 이 대사 경로에서의 마지막 반응은 하이드록시뷰티르산-이량체 가수분해효소에 의해 촉매된다. 다른 케톤체와 마찬가지로 사람의 혈장에서 β-하이드록시뷰티르산의 농도는 케톤증을 통해 증가한다. β-하이드록시뷰티르산이 아세토아세트산으로부터 형성되기 때문에, β-하이드록시뷰티르산의 수치 상승은 자연적으로 예상된다. β-하이드록시뷰티르산은 혈당량이 낮을 때 뇌에 의해 에너지원으로 사용될 수 있다. 당뇨병 환자는 당뇨병성 케톤산증을 진단하기 위해 소변 또는 혈액을 통해 케톤 수치를 검사할 수 있다. 알코올성 케톤산증에서 이러한 케톤체는 가장 높은 농도로 생성된다. 케톤체생성은 간세포의 옥살아세트산이 고갈될 경우 탄수화물 섭취를 줄임(다이어트 또는 기아를 통해)으로써 생기는 상황, 장기간의 과도한 알코올 섭취, 인슐린 결핍에 의해 일어날 수 있다. 옥살아세트산은 아세틸-CoA의 시트르산 회로로의 진입에 중요하기 때문에 충분한 옥살아세트산의 부재 하에서 지방산 산화로부터 아세틸-CoA의 빠른 생성은 시트르산 회로로 인한 감소된 용량을 압도하게 되고, 결과적으로 과량의 아세틸-CoA는 케톤체생성 방향으로 대사된다. D-β-하이드록시뷰티르산은 뷰티르산과 함께 Gi/o-연결 G 단백질 연결 수용체인 하이드록시카복실산 수용체 2(HCA2)의 내인성 작용제이다. β-하이드록시뷰티르산은 혈액뇌장벽을 통과하여 중추신경계로 들어갈 수 있다. 운동, 칼로리 제한, 단식, 케톤체생성성 식이요법으로 간, 심장, 근육, 뇌, 기타 조직에서 β-하이드록시뷰티르산 수치가 증가한다. β-하이드록시뷰티르산은 히스톤 탈아세틸화효소 저해제로 작용하는 것으로 밝혀졌다. 히스톤 탈아세틸화효소 클래스 I 동질효소인 히스톤 탈아세틸화효소 2 및 히스톤 탈아세틸화효소 3의 저해를 통해, β-하이드록시뷰티르산은 해마에서 뇌 유래 신경영양인자(BDNF)의 수준 및 TrkB 신호전달을 증가시키는 것으로 밝혀졌다. 또한 설치류를 대상으로 한 연구에서 장기간의 운동이 혈장의 β-하이드록시뷰티르산의 농도를 증가시켜 해마에서 BDNF 유전자의 프로모터를 유도한다는 것을 발견했다. 이러한 발견은 우울증, 불안, 인지 장애의 치료에 임상적으로 관련될 수 있다. 케톤체생성성 식이요법을 하는 뇌전증 환자에서 혈액의 β-하이드록시뷰티르산 수준은 뇌전증 발작 정도와 가장 관련이 있다. 항경련제의 최적 효과에 대한 역치는 대략 4 mmol/L인 것으로 보인다. β-하이드록시뷰티르산은 생분해성 플라스틱인 폴리에스터의 전구체이다. 또한 중합체인 폴리하이드록시뷰티르산은 세균인 쿠프리아비두스 메탈리두란스(Cupriavidus metallidurans)에 의해 자연적으로 생성된다. β-하이드록시뷰티르산은 산 가수분해에 의해 폴리하이드록시뷰티르산으로부터 생성될 수 있다. 혈장 내 β-하이드록시뷰티르산의 농도는 전자 수용성 보조 인자로 NAD+와 함께 β-하이드록시뷰티르산 탈수소효소를 사용하는 테스트를 통해 측정된다. β-하이드록시뷰티르산 탈수소효소에 의해 촉매되는 β-하이드록시뷰티르산의 아세토아세트산으로의 전환은 NAD+를 NADH로 환원시켜 전기적 변화를 발생시킨다. 이러한 변화의 크기는 샘플에서 β-하이드록시뷰티르산의 양을 추정하기 위해 사용될 수 있다. 하이드록시뷰티르산 케톤체생성 γ-하이드록시뷰티르산 β-하이드록시β-메틸뷰티르산 (HMB) Offermanns S, Colletti SL, Lovenberg TW, Semple G, Wise A, IJzerman AP (June 2011). “International Union of Basic and Clinical Pharmacology. LXXXII: Nomenclature and Classification of Hydroxy-carboxylic Acid Receptors (GPR81, GPR109A, and GPR109B)”. 《Pharmacological Reviews》 63 (2): 269–90. doi:10.1124/pr.110.003301. PMID 21454438.  Offermanns S, Colletti SL, IJzerman AP, Lovenberg TW, Semple G, Wise A, Waters MG. “Hydroxycarboxylic acid receptors”. 《IUPHAR/BPS Guide to Pharmacology》. International Union of Basic and Clinical Pharmacology. 2018년 7월 13일에 확인함.  “Butanoate metabolism - Reference pathway”. 《Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes》. Kanehisa Laboratories. 2017년 11월 1일. 2018년 2월 1일에 확인함.  Perelas A, Staros EB (2015년 10월 30일). “Beta-Hydroxybutyrate”. 《Medscape》 (WebMD LLC.). 2017년 2월 8일에 확인함.  O. E. Owen; 외. (1967). “Brain Metabolism during Fasting”. 《The Journal of Clinical Investigation》 46 (10): 1589–1595. doi:10.1172/JCI105650. PMC 292907. PMID 6061736.  “β-D-hydroxybutyric acid: Biological activity”. 《IUPHAR/BPS Guide to Pharmacology》. International Union of Basic and Clinical Pharmacology. 2018년 2월 5일에 확인함.  Sleiman SF, Henry J, Al-Haddad R, El Hayek L, Abou Haidar E, Stringer T, Ulja D, Karuppagounder SS, Holson EB, Ratan RR, Ninan I, Chao MV (2016). “Exercise promotes the expression of brain derived neurotrophic factor (BDNF) through the action of the ketone body β-hydroxybutyrate”. 《eLife》 5. doi:10.7554/eLife.15092. PMC 4915811. PMID 27253067.  Gilbert DL, Pyzik PL, Freeman JM (2000). “The ketogenic diet: seizure control correlates better with serum beta-hydroxybutyrate than with urine ketones”. 《Journal of Child Neurology》 15 (3): 787–790. doi:10.1177/088307380001501203. PMID 11198492. S2CID 46659339.  Yoshiharu Doi; Masao Kunioka; Yoshiyuki Nakamura; Kazuo Soga (1988). “Nuclear magnetic resonance studies on unusual bacterial copolyesters of 3-hydroxybutyrate and 4-hydroxybutyrate”. 《Macromolecules》 21 (9): 2722–2727. Bibcode:1988MaMol..21.2722D. doi:10.1021/ma00187a012.  Dieter Seebach, Albert K. Beck, Richard Breitschuh, and Kurt Job "Direct Degradation of the Biopolymer Poly[(R)-3-Hydroxybutrric Acid to (R)-3-Hydroxybutanoic Acid and Its Methyl Ester" Org. Synth. 1993, 71, 39. doi 10.15227/orgsyn.071.0039