Vitamin D3 (cholecalciferol) được tổng hợp từ tác động của bức xạ tia cực tím (UV) trên tiền chất 7-dehydrocholesterol của nó. Da tạo ra vitamin D3 và cung cấp khoảng 90% nhu cầu vitamin D cho cơ thể.[1] Phân tử này tự xuất hiện trong da động vật và trong sữa. Vitamin D3 có thể được tạo ra bằng cách cho da tiếp xúc hoặc phơi sữa (một phương thức thương mại) trực tiếp với tia cực tím. Vitamin D3 cũng được tìm thấy trong cá béo và dầu gan cá tuyết.[1][3][46]

Vitamin D2 là một dẫn xuất của ergosterol, một sterol trong màng tế bào của nấm cựa gà. Sterol này cũng có trong một số loài thực vật phù du, động vật không xương sống, nấm men, và nấm lớn. Vitamin D2 (ergocalciferol) được sản xuất từ ergosterol trong cơ thể của các sinh vật này, dưới kích thích của tia cực tím. Cũng giống như tất cả các loại vitamin D khác, không thể tạo ra vitamin D2 nếu không có bức xạ cực tím. Các thực vật có diệp lục và động vật có xương sống không thể tự sản xuất vitamin D2, vì cơ thể chúng không có tiền chất ergosterol.[60] Quy trình sinh học sản xuất 25(OH)D từ vitamin D2 được cho rằng tương tự như 25(OH)D3,[61] dẫn đến xuất hiện một số tranh cãi về việc vitamin D2 hoàn toàn có thể hoặc không thể thay thế cho vitamin D3 trong chế độ ăn uống của con người.[62][63]

Quang hóa

Chuyển đổi quang hóa từ 7-dehydrocholesterol thành tiền vitamin D3.Phản ứng đồng phân hóa bằng nhiệt của tiền vitamin D3 thành vitamin D3

Quá trình chuyển đổi từ 7-dehydrocholesterol thành Vitamin D3 (cholecalciferol) xảy ra theo hai bước. Trước tiên, 7-dehydrocholesterol được quang phân bởi tia cực tím trong một phản ứng vòng hóa electron (electrocyclic) với 6-electron quay cùng chiều nhau (conrotatory). Sản phẩm được tạo thành là tiền vitamin D3. Tiền vitamin D3 sẽ tự đồng phân hóa thành vitamin D3 trong một phản ứng chuyển vị sigma hydride [1,7] ngược hướng của hệ thống pi liên hợp (antarafacial). Ở nhiệt độ phòng, để hoàn tất quá trình chuyển đổi từ tiền vitamin D3 thành vitamin D3 mất khoảng 12 ngày.[64]

Tiến hóa

Sự quang hợp tạo thành vitamin D ở thực vật phù du trong đại dương đã tồn tại hơn 500 triệu năm và vẫn tiếp tục cho đến ngày nay. Mặc dù các loài động vật có xương sống nguyên thủy trong đại dương có thể hấp thu canxi từ đại dương vào bộ xương của chúng và ăn các sinh vật phù du giàu vitamin D, nhưng động vật sống trên cạn lại cần một cách khác nhằm đáp ứng nhu cầu về vitamin D để vôi hóa bộ xương mà không dựa vào thực vật. Động vật có xương sống trên mặt đất đã tự tổng hợp ra vitamin D cho cơ thể từ hơn 350 triệu năm.[65]

Vitamin D chỉ có thể được tổng hợp thông qua một quá trình quang hóa, vì vậy động vật có xương sống trên cạn đã phải ăn những thực phẩm có chứa vitamin D hoặc được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời để tổng hợp vitamin D trong da của chúng nhằm đáp ứng yêu cầu vitamin D của cơ thể.[64]

Tổng hợp ở da

Trong các lớp biểu bì của da, quá trình tổng hợp vitamin D3 xảy ra mạnh nhất ở lớp đáy (stratum basale; màu đỏ trong hình) và lớp tế bào gai (stratum spinosum; màu nâu nhạt).

Vitamin D3 (cholecalciferol) được tạo ra thông qua quá trình quang hóa trong da từ 7-dehydrocholesterol. Từ 10000 đến 20000 IU vitamin D được tạo ra trong khoảng 30 phút trong da của hầu hết các loài động vật có xương sống, kể cả con người khi toàn bộ cơ thể tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.[66] 7-dehydrocholesterol phản ứng với tia cực tím loại UVB, tức tia sáng có bước sóng trong khoảng 270 đến 300 nm, sự tổng hợp xảy ra cao nhất ở bước sóng từ 295 đến 297 nm.[67] Những bước sóng này có trong ánh sáng mặt trời khi chỉ số UV lớn hơn 3, cũng như trong ánh sáng phát ra từ các đèn tử ngoại trong giường tắm nắng (phát chủ yếu UVA, nhưng cũng có từ 4-10% UVB). Ánh sáng mặt trời có chỉ số UV lớn hơn 3 chiếu hàng ngày tại các vùng nhiệt đới, chiếu hằng ngày vào mùa xuân và mùa hè tại các vùng ôn đới, và hầu như chẳng bao giờ có trong ánh sáng mặt trời tại khu vực Bắc cực. Ngay cả khi chỉ số UV đủ cao, nhưng việc tiếp xúc với ánh sáng xuyên qua những cửa sổ cũng không đủ vì thủy tinh ngăn chặn gần như hoàn toàn tia tử ngoại B (UVB).[68][69]