Vitamin D3 und K2 im Calciumstoffwechsel

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Die Vitamine D und K – eine kurze Einführung

Formen und Aufgaben von Vitamin D

Abb. 1: Übersicht zur Bildung und zum Abbau verschiedener Vitamin-D-Formen
Abb. 1: Übersicht zur Bildung und zum Abbau verschiedener Vitamin-D-Formen
Die Bildung von aktivem Vitamin D ist ein mehrstufiger Prozess (s. Abb. 1). Durch die verschiedenen Aktivierungsstufen, die zudem alternative Bezeichnungen haben, kommt es häufig zu Verwirrung. Das inaktive Vitamin D3 (Cholecalciferol, Calciol) wird durch die UVB-Strahlung der Sonne in der Haut gebildet. Die Zufuhr über Lebensmittel spielt nur eine Nebenrolle. In der Leber wird Vitamin D3 in 25-OH-Vitamin D3 (Calcidiol) umgewandelt. Dieses eignet sich als Serummarker zur Bestimmung des Vitamin-D-Status. In den Zellen der Zielgewebe wird schließlich durch das Enzym 1-alpha-Hydroxylase 1,25-(OH)2-Vitamin D3 (Calcitriol) gebildet, das stoffwechselaktive Vitamin-D-Hormon (Gröber et al., 2013).

Calcitriol bindet im Zellkern der Zielgewebe an den Vitamin-D-Rezeptor. Auf diese Weise steuert es als Transkriptionsfaktor die Bildung der unterschiedlichsten Proteine. Aufgrund der Vielfalt an Vitamin-D-Zielzellen ist das Hormon im Menschen an der Regulation von mehr als 2000 Genen beteiligt (Gröber et al., 2013).

Formen und Aufgaben von Vitamin K

Die natürlicherweise vorkommenden Formen von Vitamin K sind Phyllochinon (Vitamin K1) und die Gruppe der Menachinone (Vitamin K2). Letztere haben unterschiedlich lange Seitenketten, nach deren Länge die Benennung erfolgt (Anzahl der Isoprenoid-Einheiten) (Menachinon 4 bis 13 bzw. MK-4 bis MK-13) (Booth, 2012).

Vitamin K trägt als Cofaktor des Enzyms γ-Glutamylcarboxylase zur Carboxylierung bestimmter Proteine bei. Durch die Carboxylgruppen können diese Proteine Calcium binden. Bei einem Vitamin-K-Mangel ist diese Calciumbindung folglich beeinträchtigt. Zu den bekanntesten Zielproteinen zählen die Gerinnungsfaktoren, so dass Vitamin K entscheidend zur Blutgerinnung beiträgt. Aber auch die Proteine Osteocalcin und das Matrix-Gla-Protein (MGP) benötigen Vitamin K (Vermeer, 2012), um Calcium in die Knochen einlagern und die Ablagerung in den Arterien verhindern zu können (Schurgers et al., 2010).

Regulation des Calciumstoffwechsels

Insbesondere bei der Regulation des Calciumstoffwechsels im Körper spielen – neben dem Parathormon –das aktive Vitamin D3 (Calcitriol) und Vitamin K eine wichtige Rolle (s. Abb. 2):

Calcium im Serum

Das Parathormon wird in der Nebenschilddrüse gebildet. Seine Aufgabe ist es, den Calciumspiegel im Serum bei zu niedrigen Werten wieder auf ein normales Niveau anzuheben (2,2-2,65 mmol/l). Bei sinkendem Serum-Calciumspiegel wird deshalb vermehrt Parathormon freigesetzt. Dieses gewährleistet durch drei Mechanismen, dass der Calciumspiegel im Serum wieder ansteigt:

  1. Knochen: Durch Aktivierung der Osteoklasten (Zellen für Knochenabbau) wird aus den Knochen Calciumphosphat freigesetzt (s. Abb. 2, grüner Ablauf).
  2. Nieren: In den Nieren reduziert das Parathormon die Phosphatresorption und steigert die Calciumresorption. Dadurch steigt im Serum der Anteil am physiologisch bedeutsamen freien Calcium (s. Abb. 2, blauer Ablauf).
  3. Darm: Die Aktivität des Enzyms 1-alpha-Hydroxylase wird gesteigert. Dieses Enzym ist für die Bildung von Calcitriol verantwortlich (s. Abb. 1). Durch die erhöhten Calcitriolspiegel wird die Calciumresorption im Dünndarm verbessert (s. Abb. 2, oranger Ablauf).

Steigende Serum-Calciumspiegel hingegen hemmen die Freisetzung des Parathormons. Auch Calcitriol übt diese negative Feedback-Regulation auf das Parathormon aus. Auf diese Weise werden zu hohe Parathormon-Werte im Blut verhindert.

Calcium im Knochen

Für den Einbau von Calcium in die Knochen sind Calcitriol und Vitamin K verantwortlich. Als Transkriptionsfaktor ist Calcitriol für die Abschreibung der Gene für Osteocalcin und das Matrix-Gla-Protein (MGP) verantwortlich. Die entstandenen Proteine werden durch Vitamin K aktiviert. Zudem hemmt Vitamin K die Aktivität der knochenabbauenden Osteoklasten. Auf diese Weise fördern Calcitriol und Vitamin K im Zusammenspiel die Mineralisierung der Knochen und wirken der Einlagerung von Calcium in die Blutgefäße entgegen.
Abb. 2: Regulation des Calciumstoffwechsels durch Parathormon, Calcitriol und Vitamin K
Abb. 2: Regulation des Calciumstoffwechsels durch Parathormon, Calcitriol und Vitamin K

Auswirkungen eines Vitamin-D- und -K-Mangels

Vitamin-D-Mangel

Geringe Vitamin-D-Serumwerte können zahlreiche Mangelerscheinungen hervorrufen. Am bekanntesten sind wohl Mineralisationsstörungen im Knochen (Rachitis bzw. Osteomalazie): Ein Vitamin-D-Mangel hat dauerhaft erniedrigte Serum-Calciumspiegel zur Folge. In diesem Fall reguliert der Körper mit erhöhten Parathormonwerten gegen. Langfristig führt dies zu einer Überfunktion der Nebenschilddrüsen (sekundärer Hyperparathyreoidismus): Vermehrte Calcium-Freisetzung aus den Knochen (Demineralisierung) sowie Calcium-Ablagerungen in Nieren (Nierensteine) und Arterien („Verkalkung“ der Blutgefäße) sind die Folge.

Ein Vitamin-D-Mangel kann aber z. B. auch zu Muskelschwäche, Muskelschmerzen, einer schlechten Immunfunktion, einer erhöhten Anfälligkeit für Autoimmunerkrankungen sowie zu einer reduzierten Insulinsensitivität beitragen. Zudem nimmt der vorherrschende Vitamin-D-Status Einfluss auf die Entstehung und Weiterentwicklung von Krebserkrankungen (Gröber et al., 2013).

Vitamin-K-Mangel

Bei einem Vitamin-K-Mangel können die Zielproteine nicht mehr ausreichend Calcium binden. Dies hat zur Folge, dass Zähne und Knochen einen reduzierten Calciumgehalt aufweisen und porös werden. Wird Calcium nur noch unzureichend im Knochen gebunden, so lagert es sich in den Arterien ab. Der Mangel an Calcium in den Knochen führt zu Osteoporose, während Calcium-Ablagerungen in den Arterienwänden die Ursache der Koronaren Herzkrankheit und anderer Formen von Herz-Kreislauf-, Nieren- und neurodegenerativen Krankheiten sind.

Literatur:

  • Booth SL (2012): Vitamin K: food composition and dietary intakes. Food Nutr Res; 56.
  • DGE (Deutsche Gesellschaft für Ernährung e. V.) (2015): Referenzwerte für die Nährstoffzufuhr. URL: https://www.dge.de/wissenschaft/referenzwerte/vitamin-k/ (27.07.2015).
  • Gröber U, Kisters K, Spitz J, Adamietz IA (2015a): Vitamin D in der onkologischen Intervention: Update 2015. DZO; 47(4): 173-177.
  • Gröber U, Reichrath J, Holick MF, Kisters K (2015b): Vitamin K: an old vitamin in a new perspective. Dermatoendocrinol; 6(1): e968490.
  • Gröber U, Spitz J, Holick MF, Wacker M, Kisters K (2013): Vitamin D: Update 2013: Von der Rachitis-Prophylaxe zur allgemeinen Gesundheitsvorsorge. Deutsche Apotheker Zeitung; 153(15): 1518-1526.
  • Grossmann RE, Tangpricha V (2010): Evaluation of vehicle substances on vitamin D bioavailability: a systematic review. Mol Nutr Food Res; 54(8): 1055-1061.
  • Mangin M, Sinha R, Fincher K (2014): Inflammation and vitamin D: the infection connection. Inflamm Res; 63(10): 803-819.
  • Schurgers LJ, Barreto DV, Barreto FC, Liabeuf S, Renard C, Magdeleyns EJ, Vermeer C, Choukroun G, Massy ZA (2010): The circulating inactive form of matrix gla protein is a surrogate marker for vascular calcification in chronic kidney disease: a preliminary report. Clin J Am Soc Nephrol; 5(4): 568-575.
  • Schurgers LJ, Teunissen KJ, Hamulyák K, Knapen MH, Vik H, Vermeer C (2007): Vitamin K-containing dietary supplements: comparison of synthetic vitamin K1 and natto-derived menaquinone-7. Blood; 109(8): 3279-3283.
  • Theuwissen E, Magdeleyns EJ, Braam LA, Teunissen KJ, Knapen MH, Binnekamp IA, van Summeren MJ, Vermeer C (2014): Vitamin K status in healthy volunteers. Food Funct; 5(2): 229-234.
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  • Vieth R (2004): Enzyme kinetics hypothesis to explain the U-shaped risk curve for prostate cancer vs. 25-hydroxyvitamin D in nordic countries. Int J Cancer; 111(3): 468; author reply 469.
  • Vieth R (2009): How to optimize vitamin D supplementation to prevent cancer, based on cellular adaptation and hydroxylase enzymology. Anticancer Res; 29(9): 3675-3684.

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