Vitamin D ist eine Gruppe fettlöslicher Vitamine, die zu den Secosteroiden gehören und vor allem für ihre Rolle beim Calciumstoffwechsel bekannt sind. Im Körper von Lebewesen kann der physiologisch wichtigste Vertreter Cholecalciferol (Vitamin D3) auch mit Hilfe von UV-B-Strahlung (Dorno-Strahlung) in der Haut aus 7-Dehydrocholesterol gebildet werden.
In der Nahrung kommt es vor allem in Fettfischen vor oder wird den Lebensmitteln als Nahrungsergänzungsmittel zugefügt. Es hat im Körper die Funktion eines Prohormons und wird über eine Zwischenstufe zum aktiven Steroidhormon Calcitriol umgewandelt.
Vitamin D spielt eine wesentliche Rolle bei der Regulierung des Calcium-Spiegels im Blut und beim Knochenaufbau. Ein Vitamin-D-Mangel führt mittelfristig bei Kindern zu Rachitis und bei Erwachsenen zu Osteomalazie. Die weitere Bedeutung von Vitamin D für die Gesundheit ist Gegenstand aktueller wissenschaftlicher Forschung; große systematische Übersichtsarbeiten und Metaanalysen kommen dabei zunehmend zu dem Ergebnis, dass eine Supplementierung neben den gesicherten Effekten auf das Skelettsystem vor allem die Gesamtsterblichkeit älterer Menschen moderat senkt, während sich viele früher vermutete Schutzeffekte etwa gegenüber Krebs, Herz-Kreislauf- oder Autoimmunerkrankungen in randomisierten Studien und mendelschen Randomisierungsanalysen nicht eindeutig bestätigen lassen.D. Liu, X. Meng, Q. Tian, W. Cao, X. Fan, L. Wu, M. Song, Q. Meng, W. Wang, Y. Wang: Vitamin D and multiple health outcomes: An umbrella review of observational studies, randomized controlled trials, and Mendelian randomization studies. In: Advances in Nutrition, 2022, 13, S. 1044–1062; doi:10.1093/advances/nmab142R. Bouillon, M. S. LeBoff, R. E. Neale: Health effects of vitamin D supplementation: Lessons learned from randomized controlled trials and Mendelian randomization studies. In: Journal of Bone and Mineral Research, 2023, 38(10), S. 1391–1403; doi:10.1002/jbmr.4888L. Rejnmark, L. S. Bislev, K. D. Cashman, G. Eiriksdottir, M. Gaksch, M. Grubler, G. Grimnes, V. Gudnason, P. Lips, S. Pilz, N. M. van Schoor, M. Kiely, R. Jorde: Non-skeletal health effects of vitamin D supplementation: A systematic review on findings from meta-analyses summarizing trial data. In: PLOS ONE, 2017, 12(7), S. e0180512; doi:10.1371/journal.pone.0180512E. Theodoratou, I. Tzoulaki, L. Zgaga, J. P. A. Ioannidis: Vitamin D and multiple health outcomes: Umbrella review of systematic reviews and meta-analyses of observational studies and randomised trials. BMJ, 2014, 348, S. g2035; doi:10.1136/bmj.g2035
Für eine ausreichende Versorgung mit Vitamin D ist eine angemessene Sonnen- bzw. UV-B-Bestrahlung notwendig. Zusätzlich kann der Bedarf auch durch die Einnahme (Supplementierung) von Nahrungsergänzungsmitteln gedeckt werden. In manchen Staaten werden zu diesem Zweck bestimmte Nahrungsmittel mit Vitamin D angereichert.
Geschichte
Die Entdeckung von Vitamin D ist mit der Suche nach einem Heilmittel für Rachitis verknüpft.Kumaravel Rajakumar: Vitamin D, Cod-Liver Oil, Sunlight, and Rickets: A Historical Perspective. In: Pediatrics, August 2003, Volume 112 / Issue 2, pediatrics.aappublications.org (englisch); Webseite mit ähnlichem Inhalt (deutsch). Im Jahre 1919 konnte gezeigt werden, dass die Heilung von Rachitis durch Bestrahlung mit künstlich erzeugter UV-Strahlung möglich ist,K. Huldschinsky: tg. In: Deutsche Medizinische Wochenschrift. 45, 1919, S. 712–713. zwei Jahre später wurde dies ebenfalls durch die Bestrahlung mit normalem Sonnenlicht nachgewiesen.A. Hess, L. Unger: Cure of infantile rickets by sunlight. Preliminary Notes. In: JAMA. 77, 1921, S. 39–41; doi:10.1001/jama.1921.02630270037013. Unabhängig von diesen Erkenntnissen war etwa gleichzeitig der britische Mediziner Edward Mellanby (1884–1955) davon überzeugt, dass Rachitis durch ein Ernährungsdefizit ausgelöst werde, und konnte ebenfalls 1919 an Experimenten mit Hunden zeigen, dass Rachitis durch Butter, Milch und insbesondere Lebertran geheilt werden konnte. Er hielt daraufhin das erst kurz zuvor in Lebertran entdeckte Vitamin A für den auslösenden Faktor. Es war bekannt, dass Vitamin A durch Oxidation zerstört wird. Lebertran verliert deshalb nach oxidativer Behandlung die Fähigkeit, Nachtblindheit zu heilen. So behandelter Lebertran war jedoch weiterhin in der Lage, Rachitis zu kurieren. Der Chemiker Elmer McCollum (in Zusammenarbeit mit dem Kinderarzt John Howland) schloss daraus, dass ein weiterer Stoff, unabhängig vom bekannten Vitamin A, diese Wirkung verursache.E. V. McCollum, Nina Simmonds, J. Ernestine Becker, and P. G. Shipley: Studies on Experimental Rickets. XXI. An Experimental Demonstration of the Existence of a Vitamin Which Promotes Calcium Deposition. In: J. Biol. Chem., 1922, 53, S. 293–312 (englisch); . Als das vierte gefundene Vitamin (nach den Vitaminen A, B und C) wurde es daraufhin „Vitamin D“ genannt.
Im Jahr 1927 gab Adolf Windaus als Ergebnis langjähriger Zusammenarbeit mit dem Amerikaner Alfred Fabian Hess (1875–1933) die Entdeckung des die Rachitis günstig beeinflussenden, durch Bestrahlung mit Ultraviolett aus Ergosterin hergestellten Stoffes (Vitamin D) bekannt.Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin / Göttingen / Heidelberg 1960, S. 65.
Mellanbys Frau, eine Zahnärztin, nutzte Vitamin D zuerst in der Zahnmedizin. In Bonn wurde die Rachitisprophylaxe erstmals an Schulen zur Kariesprophylaxe genutzt.Ali Vicdani Doyum: Alfred Kantorowicz unter besonderer Berücksichtigung seines Wirkens in İstanbul (Ein Beitrag zur Geschichte der modernen Zahnheilkunde). Medizinische Dissertation, Würzburg 1985, S. 215 f.
Es gibt eine Initiative, den 2. November zum Vitamin-D-Tag zu erklären und damit darauf hinzuweisen, wie groß das Vitamin-D-Mangel-Problem weltweit ist.
Physiologie Biosynthese von Vitamin D3 Die meisten Wirbeltiere einschließlich des Menschen decken einen Großteil ihres Vitamin-D-Bedarfs durch Sonnenbestrahlung ihrer Haut. Die photochemische Bildung in Form von Vitamin D2 und D3 wird auch durch einige Algen betrieben.
Definitionsgemäß sind Vitamine organische Substanzen, die der Körper selbst nicht herstellen kann, die aber zum Leben benötigt werden und daher zugeführt werden müssen. Die Vorstufen des sogenannten Vitamin D werden aber vom Körper selbst hergestellt. Zum im Körper vorhandenen Provitamin 7-Dehydrocholesterol (der Ausgangssubstanz der Vitamin-D-Synthese) muss dann allerdings noch Sonnenlicht hinzukommen. Vitamin D3 wird also aus historischen Gründen als Vitamin bezeichnet. Aufgrund seiner endogenen Synthese und der Tatsache, dass seine Wirkung neben dem Syntheseort auch andere Gewebe betrifft, müsste Vitamin D3 als Prohormon bezeichnet werden.
Ultraviolett-induzierte Synthese In der Haut sind die höchsten Konzentrationen des 7-Dehydrocholesterols im Stratum spinosum und Stratum basale vorhanden. Beim Menschen und den meisten Säugetieren ist 7-Dehydrocholesterol für die Vitamin-D-Bildung reichlich vorhanden (eine Ausnahme sind z. B. Hauskatzen). mini|hochkant=1.5|Metabolite des 7-Dehydrocholesterols in der Haut (vereinfacht nach undA. W. Norman: Sunlight, season, skin pigmentation, vitamin D, and 25-hydroxyvitamin D: integral components of the vitamin D endocrine system. In: The American Journal of Clinical Nutrition. Band 67(6), 1998, S. 1108–1110.) Wird 7-Dehydrocholesterol mit UV-Strahlung mit Wellenlängen im Bereich 280–315 nm (UV-B-Strahlung) und mindestens 18 mJ/cm² bestrahlt, kann im 7-Dehydrocholesterol durch eine fotochemisch induzierte 6-Elektronen-konrotatorische elektrocyclische Reaktion der B-Ring aufgebrochen werden: Es entsteht Prävitamin D3.Rudi Hutterer: Fit in Biochemie. Springer, 2009, ISBN 978-3-8348-9379-6, S. 501. Das Prävitamin D3 ist thermodynamisch instabil und erfährt einen (1-7)sigmatropen Shift eines Protons von C-19 nach C-9 mit nachfolgender Isomerisation: Es entsteht Vitamin D3. Das Vitamin D3 gelangt in das Blut und wird dort vor allem an das Vitamin-D-bindende Protein (DBP) gebunden zur Leber transportiert, wo es weiter zu 25(OH)Vitamin D3 hydroxyliert wird. Im Reagenzglas sind nach drei Tagen 80 % des Prävitamin D3 zu Vitamin D3 isomerisiert, in der Haut ist dies nach acht Stunden geschehen.
Selbstregulation der ultraviolett-induzierten Synthese Wird eine bestimmte Menge 7-Dehydrocholesterol im Reagenzglasversuch simulierter äquatorialer Sonnenstrahlung ausgesetzt, ist nach einigen Minuten ca. 20 % der Ausgangsmenge zu Prävitamin D3 umgewandelt. Diese Menge an Prävitamin D3 bleibt bei weiterer Bestrahlung im Gleichgewicht, denn auch Prävitamin D3 ist photolabil und wird durch weitergehende UV-B-Bestrahlung während der nächsten acht Stunden zum physiologisch inaktiven Lumisterol und zu Tachysterol abgebaut, bevor es zu Vitamin D3 isomerisiert. In dieser Zeit sinkt das 7-Dehydrocholesterol auf ca. 30 % der Ausgangsmenge ab. Unter unnatürlicher Schmalspektrum-UV-B-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 290 bis 300 nm wird dagegen 65 % des ursprünglichen 7-Dehydrocholesterols in Prävitamin D3 umgewandelt.
Auch das aus Prävitamin D3 entstandene Vitamin D3 ist photolabil: Kann das Vitamin D3 nicht schnell genug im Blut abtransportiert werden, entstehen aus ihm durch UV-B- und UV-A-Strahlung (bis zu 345 nm) mindestens drei weitere unwirksame Produkte: Suprasterol-1 und -2 und 5,6-Transvitamin D3.
So wird bei einer kurzen Sonnenbestrahlung (mit genügend hohem UV-B-Anteil) über einige Minuten ähnlich viel Vitamin D3 gebildet wie bei einer vergleichbaren Bestrahlung über längere Zeit. Hierdurch ist der Körper kurzfristig vor einer Vitamin-D-Intoxikation durch zu viel Strahlung geschützt.
Langfristig ergibt sich ein Schutz vor einer Vitamin-D-Intoxikation durch eine vermehrte Bildung von Melanin (Bräunung, dunkler Hauttyp in südlichen Ländern) in der Haut, welches Ultraviolett der Wellenlängen 290–320 nm absorbiert.
Der 7-Dehydrocholesterolgehalt der Haut sinkt mit dem Alter. Ferner nimmt beim Menschen im Alter die Fähigkeit der Haut, Vitamin D3 zu bilden, ungefähr um den Faktor 3 ab im Vergleich zu einem 20-jährigen Menschen.
Für die blasse Haut eines hellhäutigen, jungen, erwachsenen Menschen ist die minimale Erythemdosis (MED) (wenn die Haut anfängt, rot zu werden) an einem sonnigen Sommermittag auf 42° Breite in Meereshöhe (entsprechend Boston, Barcelona oder Rom) nach 10 bis 12 Minuten erreicht, ein dunkelhäutiger Mensch benötigt entsprechend 120 Minuten. Wird die Haut dieser Menschen entsprechend ganzkörperbestrahlt, gibt sie innerhalb der nächsten 24 Stunden eine Menge vergleichbar mit 10.000 bis 20.000 IE (250 µg bis 500 µg) Vitamin D3 aus Nahrungsmitteln an das Blut ab, ein Vielfaches des Tagesbedarfs.B. W. Hollis: Circulating 25-Hydroxyvitamin D Levels Indicative of Vitamin D Sufficiency: Implications for Establishing a New Effective Dietary Intake Recommendation for Vitamin D. In: The Journal of Nutrition, 2005, Band 135, Nr. 2, S. 317–322; doi:10.1093/jn/135.2.317; PMID 15671234. Eine starke Vitamin-D3-Bildung in der Haut ist also schon bei einer kurzen, aber intensiven Sonnenbestrahlung mit hohem UV-B-Anteil möglich.
Da die Knochendichte bei dunkelhäutigen Menschen trotz der etwas verminderten Vitamin-D-Bildung aufgrund der geringeren Durchlässigkeit der Haut für UV-Strahlen nicht vermindert ist, wird davon ausgegangen, dass Dunkelhäutige eine geringere Konzentration des Vitamin-D-bindenden Proteins aufweisen.Camille E. Powe et al.: Vitamin D–Binding Protein and Vitamin D Status of Black Americans and White Americans. In: New England Journal of Medicine, 2013, 369, S. 1991–2000; doi:10.1056/NEJMoa1306357.
Funktion Vitamin D3 mini|400px|alt=|25-Hydroxylierung des Vitamin D3