Витамин Д – важнейший витамин, который необходим для здоровья костей.
Образование витамина Д в коже
Витамин Д образуется в коже под действием ультрафиолетовых лучей (УФВ). Предшественником витамина Д является 7-дегидрохолестерол или провитамин Д. 7-дегидрохолестерол в большом количестве содержится в мембранах корнеоцитов, расположенных в базальном и шиповатом слоях эпидермиса и фибробластах [1].
Под действием ультрафиолетовых лучей — фотонов с длиной волны 290—315 нм — происходит фотолиз 7-дегидрохолестерола. В результате реакции образуется превитамин Д. Превитамин Д обладает нестойкой структурой и быстро — в течение 48 часов — превращается в витамин Д [2,3].
50% образованного превитамина Д превращается в витамин Д в течение 2 часов [2]. Полное превращение превитамина в витамин происходит в течение 8 часов [4].
После образования витамин Д уже отличается по структуре и свойствам от своих предшественников и может легко покидать клеточную мембрану корнеоцитов и выходить в межклеточное пространство, где он легко проникает в кровеносное русло и связывается с белками плазмы крови [2]. Переход в сосудистое русло занимает около 2 часов [4]. Витамин Д, синтезированный в коже, связывается со связывающим белком на 100%, витамин Д, поступающий с пищей — только на 60%, остальная часть становится составной частью липопротеинов [5]. Следовательно, витамин Д, синтезированный в коже, имеет более длительный период полужизни и длительные эффекты в организме.
Сколько витамина Д образуется?
Под действием ультрафиолетовых лучей в коже из 7-дегидрохолестерола образуется не только превитамин Д (не более 10—15% от всего 7-дегидрохолестерола) [6], но и ряд других неактивных метаболитов — люмистерол и тахистерол. Метаболиты образуются при воздействии УФВ на превитамин Д, до его конвертации в витамин Д. Кроме того, при длительном воздействии солнца или любого другого источника ультрафиолетовых лучей спектра В вновь синтезированный витамин Д, не успевший попасть в кровяное русло, подвергается дальнейшим превращениям. В результате образуются супрастерол и трансвитамин Д, которые также являются неактивными метаболитами витамина Д [2]. Превращение превитамина в витамин происходит при тепловом воздействии УФ лучей [6,7].
Следовательно, в коже происходит не только синтез витамина Д, но и его фотодеградация, что препятствует его избыточному образованию и последующей интоксикации. То есть при длительном воздействии ультрафиолетового излучения невозможно получить избыток витамина Д в организме [6].
Продукты фотодеградации не обладают биологической активностью и не влияют на минеральный обмен, но участвуют в регуляции клеток эпителия [4].
Для синтеза достаточного количества витамина Д в коже достаточно нахождение на солнце в течение 5—15 минут в период с 10.00 до 15.00 не менее двух раз в неделю [2,8].
Активация витамина Д
Вновь образованный в коже и поступивший с пищей витамин Д обладает крайне малой биологической активностью и для взаимодействия с клетками нуждается в дальнейшем преобразовании.
Первый этап преобразования — активации — происходит в клетках печени, куда витамин Д, связанный с белками плазмы, а именно связанный с витамин-Д-связывающим белком или альбумином, поступает с током крови. В гепатоцитах происходит реакция гидроксилирования при участии фермента 25-гидролазы, расположенной на внутренней мембране митохондрий — митохондриальной гидролазы — CYP27А1 и 25-гидролазы, расположенной в эндоплазматическом ретикулуме клетки — микросомальной гидролазы — CYP2R1. Для протекания реакции необходим кислород и магний. В результате биохимической реакции образуется 25-гидрокси-витамин Д — 25(ОН)Д [9]. 25(ОН)Д или кальцидиол может храниться в гепатоцитах [10].
Установлено, что микросомальная гидролаза преимущественно активирует витамин Д, синтезированный в коже, а митохондриальная гидролаза активирует витамин Д, поступающий в составе лекарственных или биологически активных препаратов [9].
Ферменты семейства СУР расположены не только в клетках печени, но и в других тканях организма. Они также могут участвовать в реакциях гидроксилирования витамина Д, однако их вклад в общее количество 25(ОН)Д небольшой [11].
Второй этап активации витамина Д, точнее, активации 25(ОН)Д, происходит в почках – в клетках проксимальных канальцев. Переносимый с током крови из печени 25(ОН)Д, связанный с витамин-Д-связывающим белком фильтруется в почках и поступает в первичную мочу, а оттуда после взаимодействия с белками клеточной мембраны клеток почечного эпителия — мегалином и кубулином — проникает в клетку. Благодаря этому взаимодействию, потерь витамина Д с мочой не происходит [12].
В клетках почечного эпителия витамин-Д-связывающий белок подвергается деградации в лизосомах, а 25(ОН)Д — дальнейшему гидроксилированию ферментом 1,25-гидролазой — CYP27В1 или деактивации [12]. После гидроксилирования образованный 1,25(ОН)2Д покидает клетку и уже готов к взаимодействию со своими клетками-мишенями.
25-гидроксилаза и 1,25-гидроксилаза принадлежат к семейству цитохромов Р450 и кодируются генами семейства CYP.
Учёные обнаружили, что 1,25-гидроксилаза присутствует не только в клетках проксимальных почечных канальцах, она также определяется в других клетках почек — эпителии дистальных канальцев, собирательных трубочек и ещё в более чем 30 тканях организма: коже, молочной железе, плаценте, лимфоидной ткани и пр. Предполагается, что там фермент необходим для обеспечения локальных аутокринных процессов активации витамина Д [1,13].
Ренальная 1,25-гидролаза участвует в образовании активной формы витамина Д – 1,25(ОН)2Д, и её активность зависит от концентрации кальция и фосфора в крови и находится под строгим гормональным контролем. Активность экстраренальной 1,25-гидролазы мало зависит от влияния гормонов и имеет собственную систему регуляции, к сожалению, до конца ещё неизученную [9].
Для ферментов, участвующих в активации витамина Д уже определены аминокислотная последовательность и пространственная структура, но до сих пор неизвестен полный механизм их активации и действия [2].
Описанные изменения связаны с витамином Д, синтезированным в коже, а как насчёт витамина Д, который поступает с пищей или лекарствами?
Вне зависимости от происхождения витамина, который поступает в организм — животного или растительного — он всасывается в тонком кишечнике подобно липидам и в составе хиломикронов попадает в лимфатическую систему, затем в кровеносную и в итоге поступает в печень, где происходит его гидроксилирование – превращение в 25(ОН)Д. Дальнейшая судьба 25(ОН)Д — активация в почках.
Механизм действия витамина Д
Активной формой витамина Д, способной взаимодействовать с клетками организма и вызывать определённые эффекты, является 1,25(ОН)2Д.
1,25(ОН)2Д является липофильным и без труда преодолевает мембрану клеток. Внутри клеток он взаимодействует со своим рецептором — VDR [14].
VDR принадлежит к семейству стероидных рецепторов [15].
При взаимодействии 1,25(ОН)2Д и VDR происходит фосфорилирование последнего – он активируется и далее соединяется со своим ко-рецептором — RXR. Конечным результатом является образование VDR/RXR гетеродимера [15].
В некоторых работах установлено, что подобное связывание и активация могут происходить и без участия 1,25(ОН)2Д, однако механизм такого взаимодействия и его результат все ещё изучаются [16].
VDR/RXR гетеродимер связывается ДНК в ядре клетки – с определённым её участком или витамин Д чувствительным элементом – VDRE [15]. Таких элементов в генетическом материале каждой клетки существует от 1 до 13 тысяч и каждый кодирует от 1 до нескольких белков [17]. В результате взаимодействия с ДНК в клетке активируется синтез многих специфичных белков, например, белков, ответственных за всасывание кальция и фосфора в тонком кишечнике.
Несмотря на то что VDR – это внутриядерный рецептор, он также располагается и в цитозоле клетки и, при связывании с 1,25(ОН)2Д оказывает там влияние на внутриклеточные процессы — участвует в регуляции кальциевых и фосфорных каналов, образовании вторичных мессенджеров посредством активации ряда ферментов и пр. [18].
Помимо ядра и цитозоля клетки, VDR находится также в цитоплазматической мембране клетки, где связан с белком кавеолином или фосфолипидами [18].
И также, по данным недавних исследований, определено, что 1,25(ОН)2Д может связываться со связанным с мембраной стероид-ассоциированным рецептором – MARRS. Полная структура и функции этого рецептора ещё не установлены. Предполагается, что комплекс 1,25(ОН)2Д/MARRS оказывает влияние на работу ионных каналов кальция и фосфора [18].
VDR определён во многих тканях и клетках организма [19].
Около 3% генов в организме человека находятся под контролем витамина Д – 1,25(ОН)2Д. И только небольшая часть из них ответственна за поддержание баланса кальция и фосфора и функционирования костной ткани. Остальные оказывают влияние на иммунную, сердечно-сосудистую и прочие системы организма. Однако внекостные эффекты витамина Д до сих пор изучаются и пока недостаточно данных и тем более точных данных о влиянии в организме человека для применения витамина Д с профилактической и лечебной целями других заболеваний (рака, диабета, кожных заболеваний, иммунодефицитов) [8,20,21].
Что происходит с витамином Д после взаимодействия с ДНК?
Период полужизни или активности 1,25(ОН)2Д непродолжителен и после взаимодействия со своим внутриядерным рецептором и ДНК он подвергается деградации или обезвреживанию.
В этом принимает участие фермент 24-гидроксилаза, кодируемая CYP24А1. Этот фермент расположен на внутренней мембране митохондрий многих клеток организма, включая почки, и также относится к семейству цитохромов Р450 [22]. Фермент осуществляет гидроксилирование в положении 24 или 23. 1,25(ОН)2Д, претерпевает ряд реакций и как результат образуются продукты деградации — кальцитроевая кислота и Д3-23,26-лактон — антагонист VDR [22]. Конечные метаболиты витамина Д выводятся с желчью и мочой [19].