Photochemische Synthese von Vitamin D3 in der Haut
Die Ausgangssubstanz für die endogene Synthese von Vitamin D3 ist das 7-Dehydrocholesterol. Dieses Provitamin wird über die Nahrung aufgenommen und im Anschluss unter dem Einfluss von UV-B-Licht (Photoisomerisierung) und gleichzeitiger Wärmeeinwirkung (Thermoisomerisierung) in das aktive Vitamin D3 umgewandelt [2, 3, 6, 9, 11].
Synthese von Vitamin D2
Ergosterol wird zunächst im pflanzlichen Organismus gebildet. Durch den Verzehr pflanzlicher Lebensmittel gelangt das Provitamin in den menschlichen Körper, wo es schließlich in der Haut durch Photoisomerisierung und Thermoisomerisierung unter dem Einfluss von Sonnenlicht in das aktive Vitamin D2 überführt wird [1, 2, 9, 11]. Vitamin D2 und Vitamin D3 weisen im Menschen die gleiche Aktivität auf [6].
1,25-Dihydroxycholecalciferol (Calcitriol)
Die bedeutendste metabolisch aktive Form von Vitamin D ist das Calcitriol beziehungsweise 1,25-Dihydroxycholecalciferol – 1,25(OH)2D3 –. Aufgrund der endogenen Synthese und der Wirkungsweise kann 1,25-Dihydroxycholecalciferol als Hormon betrachtet werden [6, 9]. Die Bildung des Calcitriols erfolgt durch zweifache Hydroxylierung. Im ersten Schritt der Synthese kommt es zur Hydroxylierungsreaktion von Vitamin D3 zu 25(OH)-Cholecalciferol (Synonym: 25(OH)-Vit. D; Calcifediol) in der Leber. Im Anschluss wird 25(OH)-Cholecalciferol in 1,25(OH)2D3 (Synonym: Vitamin D3; 1,25-Di-OH-Cholecalciferol; 1α-25-OH-Vit. D3; Calcitriol) durch Hydroxylierung in der Niere umgewandelt [2].
Mit der Wirkung eines Steroidhormons ist 1,25-Dihydroxycholecalciferol an etlichen Stoffwechselprozessen beteiligt [6, 9]. Calcitriol wird am Zielorgan – Darm, Knochen, Niere und Nebenschilddrüse – an ein intrazelluläres Rezeptorprotein gebunden und in den Zellkern transportiert. In der Folge übt der Vitamin-Rezeptor-Komplex Einfluss auf die DNA aus. Er verändert die Transkription (erster Schritt der Proteinbiosynthese – Bildung der m-RNA) verschiedener hormonempfindlicher Gene. Schließlich führt dieser Prozess zu Änderungen in der Proteinbiosynthese mit entsprechenden biologischen Wirkungen [3, 11].
Eine wesentliche Funktion von Vitamin D3 ist die Regulation des Calcium- und Phosphatstoffwechsels zusammen mit Parathormon und Calcitonin [1, 2, 3, 4, 6, 8, 9, 10, 11]. In Beziehung dazu hat Vitamin D3 vier klassische Zielorgane – Knochen, Dünndarm, Niere und Nebenschilddrüse [2, 3, 11].
Knochen
Das Knochengewebe besteht aus knochenabbauenden Zellen – Osteoklasten – und Knochen bildenden Zellstrukturen – Osteoblasten. Osteoklasten kerben über die Bildung eines „extrazellulären Lysosoms“ eine Lakune in die Knochenoberfläche, die wiederum von Osteoblasten aufgefüllt und neu mineralisiert wird. Demnach sind sowohl Osteoklasten als auch Osteoblasten für die Erneuerung, den Umbau und die Reparatur des Knochens unerlässlich [2].1,25-Dihydroxycholecalciferol wird durch die Fähigkeit, die Resorption und Mineralisierung beim physiologischen Auf- und Abbauprozess des Knochengewebes beeinflussen zu können, im Knochenstoffwechsel eine wesentliche Bedeutung zugesprochen. Indem 1,25(OH)2D3 zu einer gesteigerten Synthese von Osteoklasten aus hämatopoetischen Zellen führt und die Osteoblasten zur Ausschüttung eines Resorptionsfaktors, der die Osteoklastenaktivität fördert, anregt, wird die Knochenresorption erhöht [2, 3, 11]. Die Stimulation der Knochenmineralisierung beruht auf der vermehrten Bereitstellung von Calcium und Phosphat durch die calcitriolbedingte gesteigerte intestinale Absorption. Dabei wirkt 1,25(OH)2D3 synergistisch mit Parathormon [2, 9, 11]. Des Weiteren fördert 1,25(OH)2D3 zusammen mit Parathormon die Mobilisierung von Calcium – bei sinkendem Calciumspiegel – und Phosphat aus dem Knochen in den Extrazellulärraum [9].
Durch die erhöhte intestinale Absorption sowie Mobilisierung aus den Knochen hält 1,25-Dihydroxycholecalciferol die Calcium- und Phosphatkonzentration im Blut aufrecht [9]. Da Osteoblasten Rezeptoren für das Vitamin D-Hormon besitzen, kann es darüber die Synthese von alkalischer Phosphatase und Osteocalcin in Osteoblastenkulturen regulieren [2, 11]. Zudem werden unter dem Einfluss von 1,25(OH)2D3 in den Osteoblasten weitere Bestandteile der Extrazellulärmatrix (ECM) des Knochengewebes sezerniert, wie zum Beispiel Osteopontin, Typ-1-Kollagen und hCYR61 [2]. Diese weisen wiederum für den Knochenaufbau wichtige spezifische Wirkungen auf [2]. Durch die Förderung der Resorption und Mineralisierung beim physiologischen Auf- und Abbauprozess des Knochengewebes bewirkt das Vitamin D-Hormon eine Anhebung des Knochenumsatzes und im Zusammenhang mit den Dünndarmeffekten eine positive Calcium- und Knochenbilanz [2].
Dünndarm
Zu den wesentlichen Aufgaben des Vitamin D-Hormons gehört auch die Regulation der Calcium- und Phosphataufnahme im Dünndarm. 1,25(OH)2D3 führt in den Zellen der Dünndarmschleimhaut über eine Transkriptionssteigerung des entsprechenden Gens zu einer vermehrten Synthese des calciumbindenden Proteins Calbindin-D [2, 5, 7, 11]. Weiterhin ist 1,25(OH)2D3 in der Lage, unabhängig von einer Genaktivierung innerhalb weniger Minuten den intestinalen Calciumtransport zu aktivieren [3, 11]. Schließlich wird unter dem Einfluss von 1,25-Dihydroxycholecalciferol sowohl die Resorption von Calcium im Darm als auch der Calciumtransport ins Plasma erhöht [1, 4, 8, 9, 10].
Niere
Vitamin D-Hormon nimmt bei der Hydroxylierungsreaktion in der Niere eine wichtige Stellung ein. Es hemmt die Hydroxylierung von 25(OH)D3 in der 1alpha-Position. Parallel dazu stimuliert Calcitriol die Hydroxylierung in der 24-Position [2, 3, 11]. Vermutet wird, dass Vitamin D-Hormon die renale Rückresorption beziehungsweise die Ausschüttung über die Niere von Calcium und Phosphor beeinflusst [3, 9].
Nebenschilddrüse
Über einen Calciumsensor des Organismus nimmt die Nebenschilddrüse die aktuelle Calciumkonzentration im Serum wahr. Für die Aufrechterhaltung des Calciumspiegels ist das in der Nebenschilddrüse gebildete Parathormon zuständig. Deren Ausschüttung hängt von der aktuellen Calciumkonzentration ab. Bei geringen Calciumspiegeln kommt es innerhalb von Minuten zur Ausschüttung von Parathormon aus der Nebenschilddrüse. Es stimuliert an der Niere die Expression der 1alpha-Hydroxylase und damit die Bildung des Vitamin D-Hormons [2, 3, 6, 9, 11]. Indem 1,25(OH)2D3 zusammen mit Parathormon die intestinale Calcium-Absorption und Mobilisierung von Calcium aus den Knochen in den Extrazellulärraum fördert, steigt die Calcium-Serumkonzentration an.Der erhöhte 1,25(OH)2D3-Plasmaspiegel hemmt im Gegenzug die Parathormon-Ausschüttung. Dieser Mechanismus verläuft über die Vitamin D3-Rezeptoren der Nebenschilddrüse. Besetzt 1,25(OH)2D3 diese für sich spezifischen Rezeptoren, kann das Vitamin auf den Stoffwechsel des Zielorgans Einfluss nehmen [2, 3, 11].
Weitere Wirkungen des 1,25-Dihydroxycholecalciferols
Neben den vier klassischen Zielorganen besitzen auch zahlreiche Gewebe und Zellen Rezeptoren für 1,25(OH)2D3, worüber das Steroidhormon spezifische Wirkungen entfaltet.Generell ist Vitamin D-Hormon eine antiproliferative und differenzierungsinduzierende Substanz [2]:
- Wachstum und Differenzierung epidermaler und hämatopoetischer (blutbildender) Zellen [1, 4, 5, 6, 7, 8, 10]
- Differenzierung und Reifung von Zellen des Knochenmarks [1, 4, 8, 10]
- Beeinflussung endokriner Drüsen – neben Insulin und Parathormon auch Sekretion von Schilddrüsenhormonen [2, 3, 6, 11]
- Haut – Einfluss auf Zellwachstum und Differenzierung (Anlage und Wachstum der Haarfollikel, Differenzierung der Keratinozyten) [1, 2, 3, 4, 6, 8, 10, 11]
- Immunsystem – Hemmung der Zellproliferation, das heißt der schnellen Zellteilung (T-Zell-Stimulation, Monozyten-Differenzierung) [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11]
- Endokrines Pankreas (Bauchspeicheldrüse) – Modulation der Insulinausschüttung [2, 3, 6, 11]
- Bestimmte Gehirnabschnitte – Erhöhung der Aktivität der Cholinacetyltransferase [3, 11]
- Muskel – Differenzierung und Reifung von Chondrozyten (Zellen des Knorpelgewebes) bei der Kallusbildung (entstehender Ersatzknochen) nach Frakturen (Knochenbrüchen), direkter Einfluss auf den Calciumtransport und die Proteinbiosynthese im Muskel – führt letztlich zur Verbesserung der Muskelkraft –, Koordination der Muskelkontraktion, Schwankneigung [1, 2, 3, 4, 8, 10, 11]
- Verschiedene Tumorzellen – Hemmung der Zellproliferation [2, 3, 6, 11]
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Schmidt, Dr. med. Edmund, Schmidt, Nathalie
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