維生素D

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維生素D
Drug class

Use Rickets, osteoporosis, vitamin D deficiency
ATC code A11CC
MeSH D014807
AHFS/Drugs.com MedFacts Natural Products
Biological target vitamin D receptor

維生素D也稱抗佝僂病維生素,是一類脂溶性維生素,屬類固醇化合物。在人類所需的維生素中,維生素D非常特殊,它是一種激素的前體,而且在陽光充足的情況下,人體自身可以合成維生素D3

血漿維生素D水平(from a vitamin D3 blood test)可以反映紫外線照射皮膚合成的和食物攝入的維生素D的總水平,而現在認為,人體自身合成的維生素D是人體內獲取維生素D的主要途徑。研究證明,陽光照射皮膚產生維生素D要接受負反饋環路調節,以防止過多維生素D產生生物毒性。但是,過多陽光照射也會導致皮膚癌症發生,美國國家科學院醫學研究院並沒有說明到底多少日照對於滿足正常維生素D需求是必要的。而美國飲食營養攝入參考中維生素D攝入標準是假設沒有日照,所有維生素D都取自食物攝取而制定的。


經過肝臟和腎臟的進一步轉化,維生素D轉化為骨化三醇,作為一種激素重新進入循環,調節的吸收,促進骨骼的生長和重構,維生素D可以用來預防小兒佝僂病成人骨軟化症,維生素D與鈣合用可以預防老年人骨質疏鬆。維生素D對神經肌肉功能、炎症都有作用,還影響許多基因的表達和翻譯,調節細胞的增殖轉化凋亡[1]

在一般人口統計中沒有一致的證據顯示維生素D對健康影響效果。

維生素D對人體有益的最佳證據是對骨骼有益並減少老年女性的死亡率。


維生素D3紫外線照射7-脫氫膽固醇經光照後進行光化學反應轉變成,動物皮膚細胞中含有7-脫氫膽固醇,所以多曬日光是獲取維生素D的簡易方法。但它的活性不高,必須經肝臟及腎臟的酵素反應,最終生成骨化三醇(1,25-二羥膽鈣化醇),這才是活性最高的形式,可以調節小腸、腎臟和骨骼對鈣的吸收與代謝。維生素D3的缺乏易患有軟骨病,此病症在寒帶地區較常發生,因當地居民須穿著厚重衣物以防寒,但也因此隔絕陽光的照射,無法產生維生素D3,此症可經由飲食攝取來改善。

維生素D是荷爾蒙的前驅物,與血液中的代謝有關。如果維生素D攝取過量導致中毒,會使柔軟組織形成鈣化現象

形成[編輯]

名稱 化學名 結構
維生素D1 麥角鈣化醇光甾醇1:1複合物
維生素D2 麥角鈣化醇 (麥角固醇形成) Note double bond at top center.
維生素D3 膽骨化醇 (7-脫氫膽固醇在皮膚上形成) Cholecalciferol.svg
維生素D4 22-二氫麥角鈣化醇 22-Dihydroergocalciferol.png
維生素D5 谷鈣化醇(7-脫氫谷甾醇形成) VitaminD5 structure.png

維生素D有很多種,如圖,最主要的有兩種維生素D2(麥角鈣化醇)和維生素D3(膽骨化醇),它們合稱為鈣化醇,1932年研究人員闡明了維生素D2的結構,而1936年,人們發現了維生素D3,並發現它可以由7-脫氫膽固醇經紫外線照射轉化而來。[2]

從化學結構上來說,維生素D都屬於開環甾體化合物,也就是甾體激素的一個環狀結構打開了,[3]維生素D2和維生素D3結構不同之處在於其側鏈,維生素D2的22和23位碳之間是雙鍵,而且在24位碳上多了一個甲基。

維生素D3(膽骨化醇)可以由其前體7-脫氫膽固醇經紫外線照射變構形成,只要讓皮膚暴露於充足的紫外光下就可以自然的產生足夠的維生素D3,奶製品廠家通常將牛奶在紫外線光下,以強化其中的維生素D3.

維生素D2是麥角固醇的衍生物,麥角固醇之所以以麥角命名,因為它是一種從名叫麥角菌的真菌的細胞膜上找到的固醇。麥角固醇同時也可以由浮游生物、無脊椎動物以及其他真菌合成。麥角固醇一經合成,在紫外線照射下就可以轉化為麥角鈣化醇,陸地之物和脊椎動物維生素D2,因為它們體內不能合成麥角固醇,但能合成維生素D3,[4]但關於人類只吃維生素D2能不能代替維生素D3的攝入的討論的爭論還是很激烈。[5] [6]

進化[編輯]

7億5000萬年前,球石藻類浮游生物就開始利用紫外線合成維生素D,對於硬骨類脊椎動物來說,離開富含鈣質的海水來到陸地上,維生素D對保證其鈣質骨骼來說非常重要[來源請求],維生素D的合成必須要有紫外線參與,所以早期登陸的脊椎動物必須將身體暴露與陽光下或者補充富含維生素D的食物來滿足其機體對維生素D的需求。[7]

皮膚合成[編輯]

在皮膚的表皮層中產量最大的為基底層(圖中紅色)和棘皮層(淺棕色)。

皮膚合成:

7-脫氫膽固醇在波長在270-300奈米(峰值295-297奈米)之間的紫外線照射下可以變構轉化為維生素D3[8],在陽光中的紫外線指數(夜間的紫外線指數為0,熱帶、高原地區、晴天時的紫外線指數為15——譯者注)大於3時或者在日光浴燈下,才會有這種能發揮作用的紫外線。日光浴燈產生的紫外線大多數是長波的A型紫外線,而產生維生素D3所需要的中波紫外線(B型紫外線)之占其中4-10%,從地域上說,熱帶地區人們天天都可以產生維生素D3,溫帶地區的人們春夏季節也可以,而極地地區的人們,紫外線強度幾乎不可能使之產生維生素D3.[9] 似乎血清25(OH)D的平均濃度的差異應該隨緯度升高而降低,但是實際上並不和預想那樣一致,比如在夏天,加拿大北部地區的日照強度和時間綜合起來比赤道地區還要強,而且,高緯度地區在春季夏季抑或秋季機體都有可能形成並儲存足夠的維生素D,UVB產生的維生素D(異構作用,非酶促反應,沒法控制)功能非常強大,以至於皮膚形成的多餘的維生素D3必須及時降解掉,以免產生毒性。最終使維生素D的合成和降解達到平衡狀態。[10]

皮膚分為兩層:內層為真皮層,主要由結締組織形成;外層為表皮層,在厚厚的腳掌和手掌,表皮層又分為五層,自外而內是:角化層、透明層、粒層、棘皮層和基底層,維生素D就在棘皮層和基底層細胞中合成,

膽骨化醇主要由7-脫氫膽固醇經紫外線照射形成,7-脫氫膽固醇的合成在大多數脊椎動物,包括人類皮膚細胞中都非常旺盛。[11]而裸鼴鼠似乎生來缺乏膽骨化醇[12],因為其血液中測不出25(OH)D,對某些動物來說,厚厚的毛皮阻擋住紫外線,而這些鳥獸也有自己的辦法,它們把7-脫氫膽固醇分泌到毛皮表面,合成維生素D3後再自己舔回肚子里去。 [13]

作用機理[編輯]

Calcium regulation in the human body.[14] The role of vitamin D is shown in orange.(鈣在人體中的調節,維生素D的作用以橙色顯示)。

維生素D通過血流輸送到肝臟,在那裡轉化為激素前體骨化二醇,循環中的骨化二醇在腎臟和單核巨噬細胞系統中轉化為骨化三醇,從而成為具有生物活性的維生素D,而在免疫系統中,骨化三醇(1,25(OH)D)發揮著細胞因子的作用,保護機體抵抗微生物入侵。[15]腎臟將骨化二醇轉化為骨化三醇釋放入血,與維生素的結合蛋白結合,轉運到靶器官。[3]

骨化三醇通過激活維生素D受體發揮生物學效應,VDR存在於靶細胞表面,[3]活化的VDR可以作為轉錄因子,調節運載蛋白(如TRPV6和Calbindin)的表達,參與小腸內鈣的吸收。[16]

VDR屬於核受體中類固醇/甲狀腺素受體超家族,可以再大多數器官中表達,包括腦、心臟、皮膚、前列腺和乳腺等,VDR在小腸、骨骼、腎臟和甲狀旁腺的表達能夠保證血鈣血磷代謝正常(與甲狀旁腺激素和降鈣素協同作用),並可以維持正常骨量。[17]

維生素D提高了腎上腺髓質細胞酪氨酸羥化酶的表達。也參與了神經營養因子、一氧化氮等物質的合成,並能提高機體谷胱甘肽的水平。[18]

現在認為VDR也干預了細胞增殖和分化,而且對免疫系統也起到很強的免疫促進作用,很多種白細胞包括單核細胞,T細胞、B細胞都能夠表達VDR。[19]

VDR除了可以激活某些基因外,還有其他一些作用機理已經闡明。一個非常重要效果是它可以抑制刺蝟激素(一種參與器官形成的激素)的信號轉導。[20][21]

維生素D最重要的功能就是保持骨鈣的平衡。它可以增強小腸對鈣的吸收。提高破骨細胞的數量增強骨吸收,維持血鈣和血磷濃度維護正常骨量,並調整甲狀旁腺激素來維持血鈣平衡。維生素D缺乏會引起鈣磷代謝異常,導致骨密度降低,骨丟失(骨質疏鬆),甚至骨折。

飲食建議[編輯]

  1. 隨著近幾十年對維生素D的認識不斷加深,其重要性和需要量也在不斷調整;例如美國兒科學會2003年推薦兒童每日補充維生素D5μg(200國際單位),2008年改為10μg每天(400國際單位);[22]中國居民膳食指南(2013版)[23]也將維生素D嬰幼兒推薦量提高至10μg(400國際單位);而成人的推薦量一般比兒童更高一些,美國、澳大利亞等國的推薦量:50歲以下是400-1000國際單位,50歲以上是1000-2000國際單位;中國營養學會編輯的中國居民膳食指南(2013版)[24]則將補充的上限從前一版800國際單位提高至最新的2000國際單位。
  2. 妊娠期和哺乳期女性應當適當增加攝入量,以正常維持血液濃度,特別是高緯度地區和預產期在春冬季節的孕婦。但需注意的是維生素D的攝入量亦不是越高越好。
  3. 在陽光充足地區,每天手腳露出30厘米,在陽光下曬30分鐘,能一定程度地防止維生素D的缺乏。
  4. 過量表現:長期臨床實踐表明,一次性注射30萬單位能保證安全性,但60萬單位則有過量中毒的風險;而口服中毒風險有個體差異存在,目前現有的實驗數據表明持續補充維生素D每日4000-10000國際單位不超過2個月未觀察到中毒現象。但由於維生素D為脂溶性,還是應該避免長期過量服用。建議在新的理論支持出現以前,預備終身服用者,每天的預防保健補充量不超過2000國際單位(治療劑量除外)。維生素D中毒的症狀是異常口渴,眼睛發炎,皮膚瘙癢,厭食、嗜睡、嘔吐、腹瀉、尿頻以及鈣於血管壁、肝臟、肺部、腎臟、胃中的異常沉澱,關節疼痛和瀰漫性骨質脫礦化。

歷史[編輯]

1913年,美國科學家Elmer McCollumMarguerite Davis在魚肝油里發現了一種物質,起名叫「維生素A」,後來,英國醫生EdwardMellanby發現,餵了魚肝油的狗不會得佝僂病,於是得出結論維生素A或者其協同因子可以預防佝僂病。1921年Elmer McCollum使用破壞掉魚肝油中維生素A做同樣的實驗,結果相同,說明抗佝僂病並非維生素A所為。[25][26][27] 他將其命名為維生素D,即第四種維生素,但當時的人們還不知道,這種東西和其他維生素不同,因為只要有紫外線,人自己就可以而合成(有悖於維生素的定義——譯者注)。

1923年,人們知道7-脫氫膽固醇經紫外線照射可以形成一種脂溶性維生素(現在知道是D3),Alfred Fabian Hess甚至指出「陽光既是維生素」。[28]德國哥廷根大學教授AdolfWindaus與1928年榮獲諾貝爾獎,以表彰其在研究固醇與維生素關係的工作。[29] In the 1930s he clarified further the chemical structure of vitamin D.[30]三十年代他成功的研究出維生素D的化學結構。

1923年威斯康辛大學Harry Steenbock證明了用紫外線照射食物和其他有機物可以提高其中的維生素D含量,[31]用紫外線照射過兔子的食物,可以治療兔子的佝僂病。就用自己攢下的300美元為自己申請了專利,Steenbock用自己的技術對食品中的維生素D進行強化,到1945年他的專利權到期時,佝僂病已經在美國絕跡了。[32]

工業化生產[編輯]

維生素D3(膽骨化醇)可以使用7-脫氫膽固醇用B型紫外線(UVB)照射後合成,然後進行純化取得成品。[33]7-脫氫膽固醇廣泛存在於羊毛脂以及其他動物毛髮中,維生素D2所用的方法基本相同,但原材料麥角固醇來源於酵母或蘑菇。[33]

合成機理[編輯]

皮膚中的7-脫氫膽固醇經紫外線照射後6號電子發生順旋電環化反應,形成前維生素D3 Reaction-Dehydrocholesterol-PrevitaminD3.png
同時前維生素D3通過異側氫原子σ移位重排,變構產生維生素D3,在室溫條件下,從前維生素D3到維生素D3轉變需要12天完成。 Reaction-PrevitaminD3-VitaminD3.png
不論是自身合成的還是食物中攝取到的維生素D3,都要在肝臟里,在25位碳上加上一個羥基,形成25-羥基膽骨化醇(骨化二醇或者25(OH)D),[34]這個過程是由肝臟微粒體酶——25羥化酶催化的,25(OH)D一經合成,便釋放入血,與α-球蛋白結合,既所謂的維生素D結合蛋白α-球蛋白結合。[35] Reaction - cholecalciferol to calcidiol.png
25(OH)D運輸到腎臟近段腎小管,在那裡發生1-α(分子下角右邊的那個碳原子)位羥化而形成骨化三醇(1,25(OH)2D),可以有效的激活維生素D受體(VDR),活化的VDR介導維生素D所需要發揮的主要功能。25(OH)D向1,25(OH)2D的轉換需要25D31-α羥化酶,血液中甲狀旁腺激素水平升高可以提高這種酶的合成(當血鈣血磷降低時,也可以) Reaction - calcidiol to calcitriol.png

參考[編輯]

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衍生閱讀[編輯]