Vitamin D

Struktur von Vitamin D

Ähnlich wie Vitamin A ist auch Vitamin D keine einzelne Verbindung, sondern eine kleine Gruppe ähnliche Stoffe mit vergleichbaren Eigenschaften.

Struktur von drei Vitamin-D-Vertretern
Autor: Ulrich Helmich 10/2023, Lizenz: CC BY-NC-SA 4.0

Hier sehen wir die Strukturformeln von drei bekannten Vertretern der Vitamin-D-Gruppe: das Ergocalciferol (Vitamin D₂), das Calcitriol und das Cholecalciferol(Vitamin D₃). Alle drei Verbindungen werden als Calciferole bezeichnet und haben ein steroidähnliches Grundgerüst. Aus diesem Grund werden die D-Vitaminen oft eher den Steroidhormonen als den Vitaminen zugeordnet ^[2]. Das Cholecalciferol (ganz rechts) ist der bekannteste Vertreter der Vitamin-D-Gruppe.

Bildung von Vitamin D

Vitamin D ist ein besonderes Vitamin. Während die anderen Vitamine essentiell sind, also vom Körper mit der Nahrung aufgenommen werden müssen, kann Vitamin D von unserem Körper selbst produziert werden, und zwar in der Haut. Je heller die Haut ist, desto leichter kann sie Vitamin D produzieren. Unter günstigen Umständen kann der Mensch bis zu 90% seines Vitamin-D-Bedarfs selbst produzieren ^[2].

Außerdem ist UV-B-Licht (315–280 nm) zur Produktion von Vitamin D notwendig. Da es in den nördlichen Breiten unseres Planeten weniger UV-Strahlung gibt als in den Äquatorregionen, muss die Haut der dort lebenden Menschen besonders hell sein, damit sie noch ausreichend Vitamin D produzieren kann. Weiter südlich lebende Menschen benötigen keine helle Haut, ihre Haut kann dunkel bleiben, um sie vor der intensiveren UV-Strahlung zu schützen. Genug Vitamin D wird trotz der dunkleren Haut dennoch produziert, eben weil die UV-Strahlung dort intensiver ist.

Die Synthese von Vitamin D in der Haut
Autor: Ulrich Helmich 10/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Diese Abbildung wurde nach [1] und [3] erstellt.

In der Leber wird das Cholesterin, das mit der Nahrung aufgenommen oder vom Körper selbst hergestellt wurde, zu 7-Dehydrocholesterol oxidiert. NAD⁺ dient als Elektronen- und Protonen-Akzeptor.

An ein Globulin gebunden, wird das 7-Dehydrocholesterol dann in die Haut transportiert.

Hier wird der B-Ring von 7-Dehydrocholesterol durch UV-Licht gespalten wird. Interessanterweise werden für die beiden Reaktionsschritte keine Enzyme benötigt, das energiereiche UV-B-Licht reicht dafür aus.

Man kann die Reaktion sogar im Reagenzglas ablaufen lassen. Nach einigen Minuten unter UV-B-Bestrahlung im Reagenzglas hat sich ca. 20% des Ausgangsstoffs zu Prävitamin D₃ umgesetzt. Eine weitere Bestrahlung hat keine Auswirkungen auf die Konzentration von Prävitamin D₃, denn es hat sich ein chemisches Gleichgewicht eingestellt. Außerdem wird bei der UV-Bestrahlung das Prävitamin D₃ nicht nur zu Vitamin D₃ umgesetzt, sondern auch zu anderen Produkten, nämlich Lumisterol und Tachysterol^[3].

Dadurch, dass die Vitamin-D-Synthese eine Gleichgewichtsreaktion ist, kann der Körper auch keine "Überdosis" an Vitamin D produzieren. Ein Vitamin-D-Überschuss wird zurück in 7-Dehydrocholesterol und in unwirksame Substanzen wie Lumisterol oder Tachysterol umgewandelt ^[2].

Die endogene Synthese von Vitamin D₃ wird von mehreren Faktoren beeinflusst ^[2]:

• Hauttyp
  Je mehr Melanin in den Hautzellen, desto dunkler die Haut, und desto geringer die Vitamin-D-Syntheseleistung.
  
  
• Sonnenschutzmittel
  Wussten Sie, dass ein Sonnenschutzmittel mit dem Lichtschutzfaktor 15 ca. 95% der UV-Strahlung absorbiert und damit für die Vitamin-D-Synthese unbrauchbar macht?
  
  
• Bekleidung
  Je mehr Haut von der Bekleidung bedeckt ist, desto weniger Vitamin D kann der Körper produzieren.
  
  
• Lebensalter
  Wenn man älter wird, nimmt die Konzentration des Vitamin-D-Vorläufers 7-Dehydrocholesterol in den Hautzellen ab. 70jährige Menschen können im Vergleich zu jungen Menschen nur noch ungefähr ein Viertel des Vitamin D herstellen.
  
  
• Höhe des Sonnenstandes
  Je höher die Sonne am Himmel steht, desto mehr UV-Strahlung dringt bis zur Erdoberfläche durch. Am Äquator steht die Sonne das ganze Jahr über am höchsten, während in nördlichen Breiten nur im Sommer genug Sonne scheint, um genug Vitamin D^₃ zu produzieren. Zwischen Oktober und April reicht die UV-Strahlung in Deutschland nicht mehr aus, um ausreichend Vitamin D^₃ herzustellen. Im Winter sollte man also zusätzliches Vitamin D^₃ mit der Nahrung zu sich nehmen.

Metabolismus

Das in der Haut hergestellte Vitamin D^₃ (Cholecalciferol) gelangt über die Kapillaren in der Haut in die Blutbahn. Im Blut werden die Cholecalciferol-Moleküle an ein Transportprotein gekoppelt, nämlich das Vitamin-D-bindende Protein (DBP) ^[2]. Der Vitamin D-DBP-Komplex wird zur Leber transportiert. In den Zellen der Leber wird das Vitamin-D durch Vitamin-D-25-Hydroxylase hydroxyliert, indem eine OH-Gruppe an das C-Atom 25 angehängt wird. Es entsteht Calcidiol.

Calcidiol ist für die Resorption von Calcium im Darm hilfreich, und die Calcium-Resorption in den Nieren wird ebenfalls durch Calcidiol gefördert.

Die Serumkonzentration von Calcidiol ist übrigens ein guter medizinischer Indikator für die Vitamin-D-Versorgung des Körpers.

Der Calcidiol-DBP-Komplex gelangt über die Blutbahn nun in die Nieren, dort wird das Calcidiol von dem Transportprotein abgespalten und ein zweites Mal hydroxyliert, und zwar durch die 1α-Hydroxylase an dem C-Atom Nr. 1. Dabei entsteht erst die biologisch aktive Vitamin-D-Form, nämlich das Calcitriol. Eine Strukturformel dieser Verbindung sehen Sie in der Abbildung 1 ganz oben auf dieser Seite. Die beiden angehängten OH-Gruppen sind durch rote Pfeile gekennzeichnet.

Das Enzym 1α-Hydroxylase kann durch Calcium Ca²⁺- und Phosphat PO₄^3--Ionen gehemmt werden. Ist der Ca²⁺-Spiegel im Körper zu niedrig, wird also mehr Calcitriol hergestellt als bei hoher Ca²⁺-Versorgung.

Calcitriol ist eigentlich kein Vitamin, sondern ein Hormon. In den Zellen angekommen, wird es über ein Transportprotein (den Vitamin-D-Rezeptor VDR) in den Zellkern gebracht und beeinflusst dort die Transkriptionsrate bestimmter Gene. Laut [5] wirkt sich Calcitriol vor allem auf folgende Prozesse bzw. Phänomene aus:

• Es wirkt gegen Osteoporose
• Es verbessert die Infektabwehr
• Es schützt vor vielen Krebsarten
• Es hilft gegen Schuppenflechte
• Es fördert die Beweglichkeit der Spermien

Calcitriol entsteht nicht ausschließlich in der Niere, sondern auch in anderen Geweben, wirkt dort dann aber nur lokal, während das in der Niere gebildete Calcitriol über die Blutbahn in verschiedene Gewebe gelangt, also wie ein richtiges Hormon wirkt.

Zusammenfassung

Zusammenfassung der Vitamin-D-Synthese und Wirkung auf den Zellkern
Autor: Ulrich Helmich 10/2023, Lizenz: siehe Seitenende

Das in der Haut gebildete und das mit der Nahrung aufgenommene Cholecalciferol wird zu Calcidiol hydroxyliert und dann zu Calcitriol. Dieses wirkt wie ein Hormon, wird in den Zellkern transportiert und beeinflusst dort das Ablesen bestimmter Gene auf der DNA. Unter anderem werden Gene für die Calcium-Resorption im Dünndarm von Vitamin D aktiviert.

Das obige Schema habe ich nach verschiedenen Quellen erstellt. Bei den beiden Hydroxylierungsschritten zu Calcidiol und Calcitriol habe ich noch keine Informationen darüber gefunden, inwieweit die Reaktionen reversibel sind (Gleichgewichts-Reaktionen) und ob bzw. welche Coenzyme dafür notwendig sind. Auch die verschiedenen Transportproteine für die Zwischenprodukte sind in der Abbildung noch nicht berücksichtigt. Wer von Ihnen mit Apple Pages umgehen kann und das Schema verbessern möchte, kann sich gerne die Original-Pages-Datei hier herunterladen.

Aufgaben im Körper

Calcium- und Phosphat-Resorption

Calcitriol (Vitamin-D-Hormon) fördert über Aktivierung der entsprechenden Gene im Zellkern die Synthese des Carrierproteins, das für den Transport von Ca²⁺ und PO₄^3- in die Zellen der Darmschleimhaut verantwortlich ist.

In den Enterocyten werden die Ca²⁺-Ionen dann an das Protein Calbindin gebunden. Dieses stellt eine Art Calcium-Puffer dar. Die Synthese dieses Proteins wird ebenfalls durch Calcitriol (Vitamin-D-Hormon) gefördert ^[2].

Vitamin D fördert somit die Calcium- und Phosphat-Resorption im Dünndarm ^[1].

Hemmung der Calcium- und Phosphat-Exkretion in der Niere

Im Nierenepithel aktiviert Calcitriol die Synthese verschiedener Ca²⁺-Transportproteine, dadurch werden Calcium-Ionen aus dem Primärharn zurück resorbiert, und es wird weniger Ca²⁺ mit dem Harn ausgeschieden. Auch die Rückresorption von Phosphat-Ionen wird auf ähnliche Weise durch Calcitriol gefördert ^[2].

In der Niere wird die Ausscheidung von Ca²⁺ und PO₄^3- durch Vitamin D gehemmt ^[1].

Förderung des Knochenwachstums

In den Osteoclasten (großen mehrkernigen Zellen, die für die Knochenbildung zuständig sind), wird durch Calcitriol die Synthese von Hydroxylapatit durch bestimmte Enzyme angeregt ^{[1, 2, 6]}. Hydroxylapatit ist sehr hartes hydroxyliertes Calciumphosphat. Es bildet den Hauptbestandteil der anorganischen Substanz in Knochen und Zähnen ^[7].

Bildung von Parathormon (PTH)

In der Nebenschilddrüse hemmt Calcitriol die Bildung von Parathormon.

Förderung der Immunabwehr

Vitamin D fördert die Bildung und Reifung bestimmter Immunzellen und stärkt somit die Immunabwehr ^[1].

Bedarf, Vitamin-D-reiche Lebensmittel

Die DGE empfiehlt "bei fehlender körpereigener Bildung 20 Mikrogramm pro Tag" ^[8]. Dieser geschätzte Wert gilt für alle Altersgruppen.

Da Vitamin D durch UV-Einstrahlung auf die Haut gebildet wird, muss umso mehr Vitamin D mit der Nahrung aufgenommen werden, je weniger man seine Haut dem Sonnenlicht aussetzt. Das gilt vor allem für die Herbst- und Wintermonate.

In Deutschland reicht es in den Frühlings- und Sommermonaten, "pro Tag ein Viertel der Körperoberfläche (Gesicht, Hände und Teile von Armen und Beinen) zwischen 12 und 15 Uhr je nach Hauttyp und Jahreszeit 5 bis 25 Minuten der Sonne auszusetzen" ^[8].

Vitamin D kann im Körper gespeichert werden

Im Fett- und Muskelgewebe, zum Teil auch in der Leber kann der Körper so große Vitamin-D-Vorräte anlegen, dass die Versorgung im Winter gesichert ist - wenn man im Sommer genug Vitamin D produziert hat. Das hat sich im Laufe der Menschen-Evolution so ergeben, weil es vorteilhaft ist.

Vitamin-D-reiche Lebensmittel

Nicht viele Lebensmittel enthalten Vitamin D, pflanzliche Lebensmittel weniger als tierische. Die DGE nennt hier an erster Stelle Fettfische (zum Beispiel Lachs, Hering, Makrele), an zweiter Stelle Leber und Eigelb sowie Margarine, falls diese mit Vitamin D angereichert ist.

• Hering: 7,8 bis 25,0 µg / 100 g
• Lachs: 16 µg / 100 g
• Hühnereigelb: 5,6 µg / 100 g
• Makrele: 4,0 µg / 100 g
• Pfifferlinge: 2,1 µg / 100 g
• Rinderleber: 1,7 µg / 100 g
• Goudakäse: 1,3 µg / 100 g

Hypo- und Hypervitaminosen

Hypovitaminosen

Nehmen Kinder und Säuglinge zu wenig Vitamin D zu sich, kommt es zu Störungen des Calcium- und Phosphat-Stoffwechsels. Die Knochen werden nur unzureichend mineralisiert, daher bleiben sie weich und können sich leicht verformen. Dieses Krankheitsbild ist als Rachitis bekannt. Betroffen von dieser Krankheit sind vor allem die Beine (O-Beine) und der Brustkorb sowie der Schädel.

Bei alten Menschen kann ein Vitamin-D-Mangel zu Osteoporose führen.

Hypervitaminosen

Durch zu viel Sonneneinstrahlung wie zum Beispiel bei stundenlangen Aufenthalten an südlichen Badestränden kann es nicht zu einer Vitamin-D-Überversorgung kommen. Nimmt man jedoch zusätzlich Vitamin-D-reiche Nahrungsmittel oder gar Nahrungsergänzungsmittel (Vitamin-Pillen) zu sich, kann durchaus eine Hypervitaminose auftreten.

Die ersten Symptome sind laut [2] Harndrung, Durst, Übelkeit, Erbrechen, Kopf- und Gelenkschmerzen und Muskelschwäche.

Wird die zu hohe Vitamin-D-Zufuhr weiter aufrecht erhalten, kann das schließlich zur Bildung von Nierensteinen führen oder sogar zu einer Niereninsuffizienz, die sogar zum Tode führen kann.

"Eine Hypervitaminose kann in der Praxis nur durch exzessive Verwendung von Supplementen ausgelöst werden" ^[2].