Vitamin d review Научные исследования Октябрь, 2014 Солнечный свет и витамин D: глобальная перспектива для здоровья

Abstract

Формы жизни начали развиваться в океанах более 1 млрд лет назад. Они воспользовались солнечного света и использовал его в качестве источника энергии для создания углеводы. Любопытно, что некоторые из ранних фитопланктона, в том числе Emiliania huxleyi (coccolithophore, т.е., есть карбонат кальция экзоскелет), которая просуществовала без изменений в Саргассовом море (Атлантический океан) для более чем 500 миллионов лет под воздействием солнечных лучей не только photosynthesized глюкозы, но также производится витамин D₂ (Рис. 1).¹ Этот фитопланктон вырабатывает большое количество эргостерина, что при воздействии солнечного света поглощает ультрафиолет B (UVB) излучения и подвергается реакции фотолиза сформировать previtamin D₂. Один раз сформировали это термодинамически нестабильных изомер превращается в витамин D₂. Аналогично дрожжи и грибы также содержат высокое количество эргостерина и при воздействии солнечных лучей вырабатывает витамин D₂.^1-4

После поглощения УФ излучения previtamin D₂ выпускается. Его спектр поглощения с длиной волны максимум при 260 нм перекрывает УФ-спектр поглощения для обоих ДНК и РНК и, следовательно, будет в состоянии защитить ДНК и РНК от фотоповреждения (рис. 2).² Когда previtamin D₂ подвергается UVB излучения преобразуются в tachysterol₂ которая имеет УФ-спектр поглощения с длиной волны максимум при 282 нм, который перекрывает УФ-спектр поглощения аминокислот в белки, конъюгированные двойные связи, в том числе триптофан и тирозин (рис. 1 и and22).^1-4 Таким образом, в начале эволюции организмов начали использовать солнечную энергию для фотосинтеза им нужен фактор защиты от солнца для поглощения солнечного излучения UVB, чтобы свести к минимуму повреждения УФ-чувствительных молекул. Эргостерин, previtamin D₂ и его photoproducts могли бы действовать как идеальный UVB-лучей, поскольку они могут поглощать УФ-излучения и рассеивать свою энергию путем перегруппировки двойных связей.²

Сумма previtamin D₂ и photoproducts, произведенной во время пребывания на солнце и фотохимические сигнала (актинометр) сказать организму, что он подвергается достаточно солнечного УФ-излучения и сигнала оставить на поверхности в более глубокие воды, где она не будет подвергаться воздействию УФ-излучения из-за океана способность поглощать солнечной энергии.²

Он также предположил, что если эргостерин был, главным образом, присутствует в плазматической мембране, так и содержащиеся в пределах липидного бислоя, что эту жесткую плоскую структуру после воздействия солнечных UVB излучения будет преобразован в более гибкой витамин D₂ молекула, которая, вероятно, будет выпущен в межклеточное пространство. Этот процесс может изменять проницаемость мембран и, возможно, открыть поры, чтобы разрешить вход и выход ионов, в том числе кальция. Это может быть соединение, почему позвоночных, включая человека зависит от воздействия солнца, для поддержания их метаболизма кальция.^2,5-7

Историческая Перспектива

Как промышленная революция прокатилась по всей Северной Европе в 1600-х годах, в результате чего в зданиях, построенных в непосредственной близости и сжигания угля вызывает pall загрязнения воздуха (рис. 3) так же появился костей деформирующие заболевания рахит у детей, которые имели разрушительные последствия для здоровья

Первое представление о возможных отношениях между индустриализации Северной Европы и рахит был сделан Śniadecki¹⁰ (Рис. 5А) в 1822 году, когда он пришел к выводу, что дети, которые жили в центре города Варшавы была высокая заболеваемость рахитом из-за их отсутствия на солнце. Это было основано на его клинические наблюдения, что дети, живущие в сельских районах за пределами Варшавы не страдают от рахита, а дети, родившиеся и выросшие в Варшаве были страдает от болезни. Более 70 y позже Palm¹¹ пришел к тому же выводу, основываясь на отчетах своих коллег в странах третьего мира, включая Индию и Китай, что рахит был редкостью по сравнению с высокой распространенностью заболевания у детей, живущих в Лондоне. Еще 30 y будет пройти, прежде чем Huldschinsky^12,13 (Рис. 5B) доложит, что рахитических детей, подверженных ртутная дуговая Лампа имела драматические рентгенологическое улучшение их рахита спустя несколько месяцев. Он ловко также понял, что выставляя одну руку ребенка с рахитом имели те же драматические рентгенологическое улучшение в предплечье руки, не подверженных воздействию ртутные дуговые лампы. Поэтому он правильно сделал вывод, что вполне вероятно, что что-то делается в коже и поступившее в обращение для улучшения глобального здоровья костей ребенка (рис. 6).^12,13 Наконец, в 1921 г. Хесс и Унгер^8,14 (Рис. 5C) подвергается рахитических детей солнечного света на крыше больницы в Нью-Йорке и показала значительный рентгенологическое улучшение в детский рахит. Эти врачи также понял, что детей цвета были на гораздо более высокий риск рахита и пришли к выводу, что они нуждаются в более длительном воздействии солнечного света для лечения и профилактики рахита.

На рубеже 20-го века было подсчитано, что более 80-90% детей, живущих в Северной Европе и на северо-востоке США были признаки рахита.⁸ Steenbock и черный¹⁵ (Рис. 5D) и Hess и Вайншток¹⁶ воздействию различных пищевых продуктах, включая хлопковое масло, кукурузное масло, и молоко UVB излучения и показано, что этот процесс привитой antirachitic деятельности для грызунов. Это привело к тому, что эргостерин для молока с последующим УФ-облучением или дополнение эргостерина, который был ранее воздействию УФ-излучения или в дополнение витамина D₂ в молоко (фиг. 7).⁸

Этот процесс был быстро охвачен переработчиков молока и в начале 1930-х годов практически все молоко в Соединенных Штатах и в большинстве промышленно развитых стран, включая Великобританию и другие европейские страны имели обогащенное витамином D молоко. Правительство Соединенных Штатов также создано агентство, в 1931 году, целью которого было способствовать разумное пребывание на солнце детей младшего возраста для профилактики рахита и улучшить свое здоровье костей (рис. 8).^9,14 В течение нескольких лет эти мероприятия, по существу, ликвидирована рахит.^8,17-19

Витамин D стала настолько популярной, что в 1930-х и 1940-х годов широкое разнообразие блюд и напитков, а также средства личной гигиены были обогащенное витамином D.¹⁹ Они включали в себя не только молоко и другие молочные продукты, но и содовая вода, пиво, хот-доги, заварным кремом и даже мыло и крем для бритья (фиг. 9A-D).¹⁹

Однако в начале 1950-х годов вспышки гиперкальциемии у детей, которые имели elfin лица, проблемы с сердцем, и умственная отсталость привела к расследованию королевского колледжа врачей. Эксперты пришли к выводу, что это скорее всего из-за интоксикации витамином D, поскольку похожие презентации были замечены в новорожденных грызунов, рожденных от матерей, которые кормили высокие дозы витамина D.^20-22 Законодательство быстро последовал запрет на обогащение любой пищи или для личного пользования продукты с витамином D в Великобритании.^8,17,22 Этот запрет быстро распространилась по всей Европе и большей частью остается в силе сегодня с исключением нескольких продуктов, в том числе маргарин и некоторые крупы будучи обогащенное витамином D.^8,19-22 Однако, вероятно, что эти дети имели синдром Вильямса, который связан с elfin лица, умственная отсталость, проблемы с сердцем, и гиперкальциемия из-за повышенной чувствительности к витамину D.²³ Швеция и Финляндия теперь разрешение молоко обогащенное витамином D.^22,24 Стоит отметить, что в молоке был укреплен 100 ме витамина D/8 унций за последние 80 лет без каких-либо отчетов токсичности у младенцев. В последние 10 y соковой продукции, в том числе апельсиновый сок были укрепленные в США с 100 ме витамина D/8 oz без каких-либо отчетов токсичности.²²

Фотохимия Провитамина D₃

Во время воздействия солнечных лучей солнечной радиации с длиной волны 290-315 нм проникают в кожу и поглощается белками, ДНК и РНК, а также 7-дегидрохолестерин.^1,2 Большая часть этого излучения UVB поглощается в эпидермисе и, как результат, при воздействии солнечного света большинство витамина D₃ что вырабатывается в коже производится в живых клеток в эпидермисе. Это причина, почему после воздействия солнечных лучей витамин D₃ остается в коже даже тогда, когда кожу моют с мылом и водой сразу после воздействия солнечных лучей.

Когда эпидермальный 7-дегидрохолестерин поглощает солнечных UVB-излучения с энергией 290-315 нм (рис. 10), он вызывает активацию двойных связей, заставляя их переставить и B кольца, чтобы сформировать seco-стероид (сплит-стероид) previtamin D₃ (Рис. 11).²⁵

Previtamin D₃ когда сделали в пробирке существует в двух confomeric формы, 5,6-с-СНГ-с-СНГ (czc) и 5,6-сек-транс-s-цис (czt) форме. В czt conformer является наиболее термодинамически устойчивой формой и, таким образом, большинство previtamin D₃ когда произведены в пробирке существует, так как это conformer. Это conformer однако стабильной не изомеризуются витамина D₃. Однако термодинамически менее стабильный conformer czc не пройти 1-7 antarafacial sigma сдвиг водорода из C-19 и C-9, вызывая перегруппировка двойных связей, образуя витамин D₃. В результате на это уходит несколько дней в пробирке при комнатной температуре и даже при температуре тела для czt conformer к изомеризуются в czc conformer, который затем преобразуется в витамин D₃ (Рис. 12).^6,7,26,27

С физиологической точки зрения мало смысла, ибо это займет несколько дней для previtamin D₃ для преобразования витамина D₃ в коже, как это происходит в пробирке. Кроме того, это было существенной проблемой для пойкилотермных (хладнокровным) позвоночных с ниже температуры наружного воздуха сделает это займет гораздо больше времени для previtamin D₃ что было изготовлено в коже для преобразования витамина D₃. Исследования кожи ящерицы воздействию имитируемых солнечного света показали, что преобразование previtamin D₃ витамина D₃ был в 10 раз быстрее по сравнению с previtamin D₃ в изотропной органическом растворе (рис. 12).⁶ Аналогичное наблюдение было сделано в коже человека (рис. 13).⁷

Это позволило предположить, что кожа у меня какие-то свойства, ускоренное преобразование previtamin D₃ витамина D₃. Одним возможным объяснением было то, что фермент, существовали, что каталитически преобразуются previtamin D₃ витамина D₃. Кожа гомогенатов инкубировали с previtamin D₃ не привело к увеличению его конверсии витамина D₃. Таким образом, другое объяснение необходимо найти. Это было предположение, и, наконец, доказано несколькими исследованиями, что 7-дегидрохолестерин в коже клеток, главным образом, существовали в плазматической мембране и была включена в жирные кислоты углеводородной боковой цепи и полярной руководитель группы триглицеридов (фиг. 11 и and14).14). Жесткую плоскую структуру 7-дегидрохолестерин, зажатой между триглицеридов жирных кислот, углеводородных " хвостов " может быть преобразована в плоскую czc conformer из previtamin D₃ при воздействии солнечного УФ-излучения (фиг. 11).^6,26-28

Однажды сформировавшись, эта нестабильная conformer быстро превращается в витамин D₃.^6,7,26-28 Чтобы подтвердить эту гипотезу исследования проводились в липосомы, которые имитировали плазматической мембраны и было продемонстрировано, что добавление двойными связями триглицеридов в боковой цепи или укорочение или удлинение боковой цепи приводило к снижению кинетики преобразования previtamin D₃ витамина D₃ (Рис. 15).²⁷

Поскольку витамин D₃ термодинамически более стабильной, а также более гибким он будет извлечен из плазматической мембраны в межклеточное пространство и диффундирует в капиллярную кровать в дерме, где она связывается с витамин D-связывающего белка (DBP) для транспортировки в печень.^{2,5,6,22,29,30}

Там было много обсуждения того, прием внутрь витамина D из пищи или из приложения такой же, как и производить витамин D₃ в коже. Потому что это занимает приблизительно ~8 ч previtamin D₃ в коже, чтобы полностью преобразовать в витамин D₃^26,27 и это занимает дополнительное время для витамина D₃ ввести кожное капиллярное русло это, по крайней мере, 2 из объяснений, почему было замечено, что витамин D₃ образуется в коже длиться в 2-3 раза дольше в обращении по сравнению с попадание его внутрь (рис. 16).²⁹ Кроме того, когда витамин D₃ вырабатывается в коже 100% потенциально связаны с витамин D-связывающий белок (рис. 17). Когда витамина D₃ внутрь от диеты или дополнить его получает включаются в хиломикроны, которые перевозятся в лимфатическую систему, а затем в венозную систему были приблизительно 60% витамин D₃ привязан к витамин D связывающего белка и 40% быстро очищается в липопротеина связаны фракции.²⁹

Солнце контролируемых кожного производства витамина D₃

Во время воздействия солнечных лучей после previtamin D₃ производится он будет поглощать солнечную UVB излучения и изомеризуются в двух основных photoproducts, lumisterol₃ и tachysterol₃ (Рис. 17).^31,32

Ни один из этих двух photoproducts имеет какое-либо влияние на метаболизм кальция.³² Таким образом, когда кожа подвергается воздействию солнечных лучей, это может преобразовать только около 15% 7-дегидрохолестерин, чтобы previtamin D₃ (Рис. 18).³² Любое дальнейшее воздействие приведет к photoequilibrium которым previtamin D₃ преобразуется в lumisterol₃ и tachysterol₃ а также вернуться к 7-дегидрохолестерин (рис. 17). Кроме того, когда витамин D₃ изготовлен из previtamin D₃ в коже при воздействии солнечного УФ излучения он будет поглощать УФ-излучение и быть конвертированы в несколько suprasterols и 5,6-транс-витамин D₃ (Рис. 17 и and19).19). Кроме того previtamin D₃ также может быть преобразован в несколько toxisterols (рис. 20).^33-36 Поэтому неважно, сколько солнце человека подвергается интоксикации витамином D не произойдет, потому что любое превышение previtamin D₃ и витамин D₃ это photodegraded в продукты, которые не имеют calcemic деятельности.^31,32

Это, однако, не означает, что эти мириады photoproducts нет других биологических эффектов, таких как регулирующие рост клеток эпидермиса и снижая риск рака кожи. Один продукт, lumisterol_3, если преобразуется в 1,25-dihydroxylumisterol₃ может противоопухолевый эффекты в коже.³⁷ Некоторые suprasterols также антипролиферативным деятельности в культуре человеческих кератиноцитов (рис. 21). Поэтому разумное пребывание на солнце, чтобы произвести previtamin D₃витамин D₃ и его photoproducts может иметь некоторые дополнительные льготы сверх просто принимать витамин D₃ дополнение или прием внутрь витамина D₃ из диетических источников.

Только около одного процента солнечного УФ-излучения достигает поверхности земли даже в летний полдень.³⁸ Причина в том, что все УФ-с (200-280 нм) и все UVB излучения до примерно 290 нм эффективно поглощается стратосферного озонового слоя.^38,39 Кроме того озоновый слой поглощает примерно 99% UVB излучение с длинами волн 291-320 нм. Поэтому увеличение длины пути, по которому солнечных UVB должен пройти через озонового слоя приведет к уменьшению количества UVB фотонов, которые достигают поверхности земли (рис. 22).⁴⁰ В этом и заключается объяснение, почему зимой, когда, живущих выше и ниже примерно на 33° широты очень мало, если любой витамин D₃ могут быть изготовлены в кожу от воздействия солнца. Люди, которые живут дальше на север и на юг часто не могут сделать любой витамин D₃ в их коже до 6 mo года.⁴¹ Например, в Бостоне в 42° северной широты, по сути, нет витамина D₃ может быть изготовлен в коже с ноября по февраль. Жителей, проживающих в Эдмонтоне Канада на 52° северной широты, Берген (Норвегия) на 60° Северной или Ушуайя Аргентина на 55° Южной не в состоянии оказать существенного витамина D₃ около 6 mo года (фиг. 23 и and2424).^2,39,41

Люди, которые живут в дальнем Северном и Южном полушариях, видимо, оценил этот факт и смогли удовлетворить их витамин D требование пищу, богатую витамином D, в том числе жирная рыба, уплотнение жира, печени белого медведя и китовый жир и печень, все из которых содержат большое количество витамина D₃.^42,43

Рано утром и поздно вечером зенитном угле солнца более косые, похожими на зимнее солнце и, как результат, очень мало, если любой витамин D₃ может быть изготовлен в коже до 10 часов утра. и после 3-х часов. даже в летний период времени (фиг. 23 и and2525).⁴⁴

Загрязнение воздуха, в том числе закиси азота и озона является распространенной практикой во многих крупных городах, включая Лос-Анджелес и Сан-Диего (рис. 26) и будет поглощать солнечное УФ излучение и, следовательно, снизить эффективность воздействия солнца в производстве витамина D₃ в коже (рис. 27).^40,45 Количество UVB излучений, доступных для кожного витамин D₃ производства заметно снижается за счет увеличения диоксида серы в Сан-Диего и Лос-Анджелесе, компенсируя тот факт, что оба города находятся на более низких широтах.⁴⁵

Высота также может иметь драматическое влияние на количество солнечных UVB, которое достигает земной поверхности, потому что чем выше высота, тем короче длина пути, UVB должен пройти через и, таким образом, кожа может производить больше витамина D₃. Это наглядно продемонстрировали в Агре (169 м над уровнем моря), Катманду (1400 м)и Эверест базовый лагерь (5300 м), Индии (27° северной широты). Анализ солнц-наведенные витамин D₃ синтез in vitro проводилось на больших высотах на той же широте в течение одного месяца. В ноябре в Агре очень мало previtamin D₃ был произведен во время пребывания на солнце. Было отмечено, что существует прямая корреляция с повышенной previtamin D₃ производства с увеличением высоты над уровнем моря. На Эверест базовый лагерь (5300 мин) там была почти 5-кратное увеличение previtamin D₃ производства по сравнению с тем, что наблюдалось в Агре (рис. 28).⁴⁶ Так как стекло поглощает все UVB излучения, воздействия на кожу солнечного света, который проходит через стекло, оргстекло, пластик не приведет к выработке витамина D₃ в коже (рис. 29).³¹

Солнцезащитные средства были предназначены для поглощения солнечных UVB излучения.⁴⁷ Солнцезащитный крем с фактором защиты от солнца (SPF) 30 поглощает примерно 95-98% солнечных UVB излучения. Поэтому местное применение солнцезащитный крем с SPF 30 снижает способность кожи вырабатывать витамин D₃ на ту же сумму, т.е., 95-98%.²² Это было подтверждено в докладе, что применение солнцезащитного крема с SPF 8 резко снижается уровень в крови витамина D₃ после exposure для имитации солнечного света в солярии (рис. 30).^47,48 Фермеры на Среднем Западе, которые имели историю немеланомного рака кожи и который носил солнцезащитный крем все время перед выходом на улице более года показал, что в конце лета их уровня в крови были значительно ниже (в основном витамин D дефицитный), чем у контрольной группы (рис. 31).⁴⁸