第二节　维生素D的来源、合成与代谢

人体维生素D的来源主要包括内源性和外源性。内源性的维生素D在表皮中合成，合成的维生素D为D₃。而外源性的维生素D包括维生素D₃或D₂，来自富含维生素D的食物和维生素D补充剂。不管是内源性的维生素D还是外源性的维生素D，均需经过两步代谢反应才能成为有活性的激素，第一步为25位羟化，主要在肝脏进行，虽然维生素D在其他一些组织也可以进行25位羟化，但进入血液循环的量很少。25位羟化在25羟化酶的催化下进行，目前已发现有多种25羟化酶的存在。经25位羟化后形成的25-羟基维生素D［25-dihydroxyvitamin D，25（OH）D］必须在1α位进一步羟化才能变为具有高活性的激素1，25-二羟基维生素D［1，25-dihydroxyvitamin D，1，25（OH）₂D］。1α位羟化主要在肾脏进行，显然其他组织也可以进行1α位羟化，但进入血液循环的量也很有限，这一点与25位羟化相似。25（OH）D和1，25（OH）₂D还能在24位进行羟化，分别转变为24，25-二羟基维生素 D［24，25-dihydroxyvitamin D，24，25（OH）₂D］、1，24-二羟基维生素 D［1，24-dihydroxyvitamin D，1，24（OH）₂D］和 1，24，25-三羟基维生素 D［1，24，25-trihydroxy vitamin D，1，24，25（OH）₃D］。在机体不能完成25 位羟化的情况下，24位羟化也可以增强活性，在这种情况下，1，24（OH）₂D可作为维生素D的活性产物，1，24（OH）₂D和1，25（OH）₂D 具有相近的生物活性。而已完成 25位羟化的25（OH）D 和1，25（OH）₂D，如进一步羟化，只能变为无活性的代谢产物。

一、维生素D₃在表皮的合成

人体表皮角质形成细胞内储存的7-脱氢胆固醇经阳光中的紫外线照射后B环打开，形成维生素D₃前体，在紫外线的照射下，维生素D₃前体的合成在1小时内达到高峰，紫外线照射同时可将维生素D₃前体转换为无生物活性的光固醇和速固醇，表皮中的色素和紫外线的强度对维生素D₃前体的合成有很大影响，随着紫外线照射时间的延长，光固醇的合成不断增加，并且该反应是可逆的，在维生素D₃前体减少时光固醇又能逆转为维生素D₃前体，维生素D₃前体经过温促反应缓慢转变为维生素D₃，与维生素D₃前体、光固醇和速固醇相比，维生素D₃更容易进入血液循环，与维生素D结合蛋白结合（vitamin D binding protein，DBP）。这样，短时间的阳光照射因光固醇向维生素D₃前体的转化以及维生素D₃前体向维生素D₃的缓慢转化，使维生素D₃在表皮中持续生成，又由于维生素D₃前体向光固醇和速固醇的转化，并且维生素D₃在光照下还会转变为超固醇Ⅰ、超固醇Ⅱ和5，6-反式维生素D₃。这样，避免了长时间阳光照射所致的维生素D₃过度生成。

表皮中的黑色素通过吸收紫外线，能减少表皮在阳光下合成维生素D₃的量，这可能是有色人种血25（OH）D水平较低的原因。阳光照射又使表皮中黑色素合成增多，又进一步预防表皮中维生素D₃的过度合成。紫外线强的地域人群比紫外线弱的地域人群的维生素D₃合成量要多。因此，与居住在纬度较高地区的人群相比，居住在纬度较低地区的人群表皮合成维生素D₃的量更高。另外，居住在同一纬度的人群，夏季比冬季产生维生素D₃的量更高，午间比其他时间产生维生素D₃的量更高。与居住在海拔低的人群相比，居住在海拔高的人群维生素D₃合成量更高。衣服和防晒霜明显减少维生素D的合成，如生活在中东的贝都因人，与以色列的犹太人相比，尽管有同样强度的阳光，但更容易患佝偻病和骨软化症。

二、25（OH）D在肝脏的合成

表皮中产生的维生素D₃和食物中摄入的维生素D₂或D₃统称为维生素D（图1-2-1）。D₂和D₃之间不能互相转换。不管是D₂还是D₃，都需经过25位羟化才能转变为25（OH）D，尽管其他组织也有25羟化酶，但体内的25位羟化主要在肝脏进行，25（OH）D是维生素D在血液循环中的主要存在形式，可作为身体维生素D营养状况的指标，通常所说的维生素D的营养状况是指血25（OH）D的水平。25羟化酶存在于肝细胞的线粒体和微粒体内，分别由微粒体内的CYP2R1和线粒体内的CYP27A1的基因所编码。

线粒体中的25羟化酶为CYP27A1，它具有高效能、低亲和力的特点，属于非限速酶。CYP27A1在体内组织分布广泛，在肝脏和肌肉组织中浓度最高，在肾脏、肠道、肺、皮肤和骨骼等组织也有一定程度的表达。CYP27A1突变导致脑腱黄瘤病，部分患者出现钙磷代谢紊乱，但CYP27A1敲除的小鼠实际表现为25（OH）D水平的升高，伴有胆酸合成障碍。CYP27A1可以对维生素D及其代谢物的24、25和27位进行羟化，相比之下，维生素D₂更倾向于24位羟化，而维生素D₃更倾向于25位羟化，并且1α-羟基维生素D的25位羟化比维生素D更迅速，维生素D₂和D₃羟化位置的不同可能是两者活性存在一定差别的原因之一。

微粒体中的主要25羟化酶为CYP2R1，也是非限速酶。与CYP27A1相似的是，CYP2R1在体内也是广泛分布，但主要存在部位是肝脏、皮肤和睾丸。与CYP27A1不同的是，CYP2R1对D₂和D₃的25位羟化效率是相同的。CYP2R1敲除的小鼠表现出佝偻病和25（OH）D水平降低，而CYP27A1和CYP2R1联合敲除小鼠的25（OH）D水平与CYP27A1单敲除小鼠的25（OH）D水平相近，并且CYP2R1突变的患者出现维生素D缺乏性佝偻病，补充维生素D后虽然佝偻病有改善，但不能完全恢复正常，说明CYP2R1是主要的25羟化酶。但CYP27A1和CYP2R1联合敲除小鼠的25（OH）D水平降低的程度最多只能达到70%，说明还有其他种类的25羟化酶存在的可能性。

目前并未发现肝脏的25羟化酶受调节的证据，而有研究表明，肠道和肾脏的25羟化酶的表达受1，25（OH）₂D的下调。动物研究显示，给予雄性大鼠雌激素可以提高25羟化酶的活性，而给予雌性大鼠雄激素可以降低25羟化酶的活性，但在人体尚无相关的实验依据。

三、1，25（OH）₂D在肾脏的合成

1，25（OH）₂D是维生素 D活性最强的代谢产物，在体内能发挥最大的生理效应。1，25（OH）₂D 由25（OH）D 通过25（OH）D-1α羟化酶（CYP27B1）催化合成，该酶的基因突变可导致罕见常染色体遗传疾病，称为假性维生素D缺乏性佝偻病Ⅰ型，其临床表现为生长延迟、佝偻病、低钙血症、低磷血症、继发性甲状旁腺功能亢进，血1，25（OH）₂D水平低，与维生素D受体（vitamin D receptor，VDR）基因突变的表型不同，不会出现秃发，这是因为毛囊的分化需要VDR的作用，而不需要1，25（OH）₂D的作用，这种作用属于不依赖于配体的受体作用。

CYP27B1是位于线粒体的多功能氧化酶，位于线粒体内膜。CYP27B1不仅仅在肾小管表达，还在表皮、大脑、胎盘、睾丸、肠道、肺、乳腺、巨噬细胞、淋巴细胞、甲状旁腺、成骨细胞和软骨细胞表达，但实际上，酶的表达水平和活性最高的组织是表皮。尽管如此，肾小管细胞内合成的1，25（OH）₂D仍为血液循环中1，25（OH）₂D的主要来源，调节钙和磷的代谢，而其他组织细胞合成的1，25（OH）₂D被认为主要是供给局部组织细胞所用，主要调节细胞的增殖、分化和多种功能，但在某些病理情况下，肾外组织产生的1，25（OH）₂D也可使血液循环中的1，25（OH）₂D水平升高，如结节病的患者，肉芽肿内的巨噬细胞产生大量的1，25（OH）₂D，导致血1，25（OH）₂D 水平升高，产生高钙血症。

肾小管细胞内的CYP27B1的活性受甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）刺激，受成纤维细胞生长因子 23（fibroblast growth factor 23，FGF-23）、钙、磷和 1，25（OH）₂D 抑制，但这些调控因素通过何种机制起作用，尚未确定。肾外组织的CYP27B1活性主要受IFN-γ和TNF-α等细胞因子的激活，而受PTH影响很小，也不被1，25（OH）₂D所抑制，如在表皮角质形成细胞，当24羟化酶被抑制后，1，25（OH）₂D并不能抑制CYP27B1的表达和自身的合成，说明1，25（OH）₂D通过刺激24羟化酶来下调自身的水平，而对自身的合成并没有抑制作用。而在肾脏，1，25（OH）₂D对CYP27B1抑制的机制还不十分清楚，因在CYP27B1的启动子区并没有发现维生素D反应元件（vitamin D response element，VDRE）。

四、24，25（OH）₂D在肾脏的产生

肾脏也是维生素D代谢产物24，25（OH）₂D的主要合成场所，催化酶为25（OH）D-24羟化酶（CYP24A1）。CYP24A1和CYP27B1为同源酶，共同存在于肾小管细胞的线粒体中。CYP24A1对25（OH）D和1，25（OH）₂D都能进行24位羟化，在24位羟化后，经氧化、23羟化和C23-24的剪切，最终转变为无活性的维生素D-23羧酸，CYP24A1还有23羟化酶的活性，最终生成23／26内酯。

虽然CYP24A1在肾小管高表达，但它在体内广泛分布，所有VDR表达的靶组织均有CYP24A1的表达。唯一发现有例外的是巨噬细胞，巨噬细胞不表达或表达有缺陷的CYP24A1，不能灭活1，25（OH）₂D。该酶对 1，25（OH）₂D 的亲和力高于 25（OH）D，使 1，25（OH）₂D能有效灭活，以防止细胞内的1，25（OH）₂D水平过高。CYP24A1失活性突变的婴儿出现高钙血症和血1，25（OH）₂D水平升高，CYP24A1敲除的小鼠在补充维生素D后，血1，25（OH）₂D水平的升高和24，25（OH）₂D水平的降低，并出现膜内骨矿化障碍，这种表型不能被外源性的24，25（OH）₂D的补充所纠正，但能被VDR敲除所纠正，说明膜内骨矿化障碍是过高水平的 1，25（OH）₂D 所致，并非24，25（OH）₂D 的缺乏所致。

CYP24A1在肾脏的调控几乎是 CYP27B1调控的镜像，PTH和 1，25（OH）₂D是CYP24A1主要的调节因子，而钙、磷、胰岛素、FGF-23、胰岛素样生长因子-1（insulin like growth factor-1，IGF-1）、GH以及性激素对CYP24A1也可能起一定调节作用。1，25（OH）₂D促进CYP24A1的合成，CYP24A1基因的启动子含有两个维生素D反应元件。而PTH抑制肾脏CYP24A1的合成。其他许多组织都没有或表达很低水平的PTH受体，故PTH对肾脏以外的某些组织的CYP24A1几乎无调节作用，如肠道。因此，当25（OH）D或1，25（OH）₂D水平降低时，PTH水平会反应性升高，此时只有肾脏中CYP24A1的合成受到抑制，而某些缺乏PTH受体的肾外组织中的CYP24A1不会受到抑制，结果显示只有肾脏1，25（OH）₂D的合成会增加，而这些肾外组织中的1，25（OH）₂D的合成不会相应增加。在表达PTH受体的骨组织中，PTH与1，25（OH）₂D协同促进CYP24A1的合成，这种协同作用在胰岛素的作用下进一步增强。FGF-23也诱导CYP24A1的表达，限制磷的摄入能降低CYP24A1表达。此外，GH和IGF-1对CYP24A1的表达也有一定的抑制作用，但其机制意义并不十分明确。

五、维生素D代谢物的转运

血液循环中的25（OH）D、24，25（OH）₂D 和1，25（OH）₂D 有85%～88%与维生素D结合蛋白（vitamin D binding protein，DBP）结合，12%～15%与白蛋白相结合，大约不到1%为游离形式。DBP为一个58kDa的蛋白，由458个氨基酸组成，与球蛋白和α-甲胎蛋白具有同源性（核酸水平同源性为40%，氨基酸水平同源性为23%）。DBP主要由肝脏合成，在其他组织器官如肾脏、睾丸和脂肪中也有产生。在调节方面与其他性激素结合蛋白相似，口服避孕药和妊娠会增加DBP的合成。在体外，糖皮质激素和一些细胞因子如表皮生长因子（epidermal growth factor，EGF）、白细胞介素 6（interleukin-6，IL-6）刺激 DBP 的合成，而转移生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）则抑制 DBP的合成。DBP的血浆浓度正常为4～8mmol/L，远远高于维生素D代谢物的浓度，所以DBP往往只有大约2%的饱和度。DBP与维生素D代谢物有较高的亲和力，尤其是对25（OH）D，在正常情况下，仅有大约0.03%的25（OH）D和24，25（OH）₂D以及大约0.4%的1，25（OH）₂D呈游离状态。某些疾病状态如肝病和肾病综合征引起DBP和球蛋白水平下降会导致总25（OH）D和总1，25（OH）₂D水平降低，但不一定会影响其游离的水平。另外有研究报道，DBP水平存在种族差异，如美国黑种人的DBP水平比白种人要低，但在使用多克隆抗体或蛋白组学分析的研究中，该结果未能得到重复。因此，DBP水平是否存在种族差异，有待进一步证实。

一般来讲，多数细胞不能摄取与DBP结合的维生素D代谢物，而只能摄取游离的部分，而一些疾病如肝功能不良、肾病综合征、妊娠和炎性疾病可能影响DBP的水平，从而影响总的25（OH）D水平。因此，有学者认为游离25（OH）D的水平比总25（OH）D的水平更能反映维生素D的营养状况。但是，某些组织如肾脏、胎盘、甲状旁腺表达巨蛋白（megalin）和肘臀蛋白（cubilin），巨蛋白和肘臀蛋白形成复合物后，能促使与DBP结合的25（OH）D进入细胞，以防止25（OH）D通过尿液丢失，并可能在25（OH）D由母体向胎儿的转运和PTH分泌的调节过程中起重要作用。

DBP的调节与其他类固醇激素结合蛋白的调节相似，受口服（而不是经皮）雌激素和妊娠的上调，且受糖皮质激素和IL-6的上调，而受转移生长因子β的下调。

（谢忠建）

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