# Cholecalciferol

Cholecalciferol (auch Colecalciferol oder kurz Calciol; Vitamin D$_3$ oder ungenau Vitamin D) ist die wichtigste physiologische Form des Vitamin D in allen nichtpflanzlichen Eukaryoten und so auch im Menschen. Cholecalciferol ist ein Secosteroid und wird im Körper auch mit Hilfe von UVB-Strahlung (Dorno-Strahlung, nach Carl Dorno) in der Haut aus 7-Dehydrocholesterol gebildet, daher ist der historische Begriff Vitamin der Definition nach nicht völlig zutreffend.
In der Nahrung kommt es vor allem in Fettfischen vor oder wird den Lebensmitteln als Nahrungsergänzungsmittel zugefügt. Es hat im Körper die Funktion eines Prohormons und wird über die Zwischenstufe Calcidiol in seine physiologisch wirksame Form, das Hormon Calcitriol, umgewandelt.

## Biochemie

Cholecalciferol spielt eine wesentliche Rolle bei der Regulierung des Calcium-Spiegels im Blut und beim Knochenaufbau.

### Biosynthese von Vitamin D$_3$

Die meisten Wirbeltiere einschließlich des Menschen decken einen Großteil ihres Vitamin-D-Bedarfs durch Sonnenbestrahlung ihrer Haut; dies kommt auch bei bestimmten Planktonarten vor (Phytoplankton coccolithophor Emeliani huxleii).
Definitionsgemäß sind Vitamine organische Substanzen, die der Körper selbst nicht herstellen kann, die aber zum Leben benötigt werden und daher zugeführt werden müssen. Die Vorstufen des sogenannten Vitamin D$_3$ werden aber vom Körper selbst hergestellt. Zum im Körper vorhandenen Provitamin 7-Dehydrocholesterol (der Ausgangssubstanz der Vitamin-D-Synthese) muss dann allerdings noch Sonnenlicht hinzukommen. Vitamin D$_3$ wird also aus historischen Gründen als Vitamin bezeichnet. Aufgrund seiner endogenen Synthese und der Tatsache, dass seine Wirkung neben dem Syntheseort auch andere Gewebe betrifft, müsste Vitamin D$_3$ als Prohormon bezeichnet werden.
Wird 7-Dehydrocholesterol mit Ultraviolett mit Wellenlängen im Bereich 290–315 nm (UV-B-Strahlung) und mindestens 18 mJ/cm² bestrahlt, kann im 7-Dehydrocholesterol durch eine fotochemisch induzierte 6-Elektronen-konrotatorische elektrocyclische Reaktion der B-Ring aufgebrochen werden: Es entsteht Prävitamin D$_3$. Das Prävitamin D$_3$ ist thermodynamisch instabil und unterliegt einer (1-7)sigmatropen Umlagerung, bei der ein Proton von C-19 nach C-9 wandert, mit anschließender Isomerisation: Es entsteht Vitamin D$_3$. Das Vitamin D$_3$ gelangt in das Blut und wird dort vor allem an das Vitamin-D-bindende Protein (DBP) gebunden zur Leber transportiert, wo es weiter zu Calcidiol (25(OH)-Vitamin-D$_3$) hydroxyliert wird. Im Reagenzglas sind nach drei Tagen 80 % des Prävitamin D$_3$ zu Vitamin D$_3$ isomerisiert, in der Haut ist dies nach acht Stunden geschehen.

#### Selbstregulation der Ultraviolett-induzierten Synthese

Wird 7-Dehydrocholesterol im Reagenzglasversuch simulierter äquatorialer Sonnenstrahlung ausgesetzt, ist nach einigen Minuten ca. 20 % der Ausgangsmenge zu Prävitamin D$_3$ umgewandelt. Diese Menge an Prävitamin D$_3$ bleibt bei weiterer Bestrahlung im Gleichgewicht, denn auch Prävitamin D$_3$ ist photolabil und wird durch weitergehende UV-B-Bestrahlung während der nächsten acht Stunden zum physiologisch inaktiven Lumisterol und zu Tachysterol abgebaut, bevor es zu Vitamin D$_3$ isomerisiert. In dieser Zeit sinkt das 7-Dehydrocholesterol auf ca. 30 % der Ausgangsmenge ab. Unter unnatürlicher Schmalspektrum-UV-B-Bestrahlung mit einer Wellenlänge von 290 bis 300 nm wird dagegen 65 % des ursprünglichen 7-Dehydrocholesterols in Prävitamin D$_3$ umgewandelt.
Auch das aus Prävitamin D$_3$ entstandene Vitamin D$_3$ ist photolabil: Kann das Vitamin D$_3$ nicht schnell genug im Blut abtransportiert werden, entstehen aus ihm durch UV-B- und UV-A-Strahlung (bis zu 345 nm) mindestens drei weitere unwirksame Produkte: Suprasterol-1 und -2 und 5,6-Transvitamin D$_3$.
So wird bei einer kurzen Sonnenbestrahlung (mit genügend hohem UV-B-Anteil) über einige Minuten ähnlich viel Vitamin D$_3$ gebildet wie bei einer vergleichbaren Bestrahlung über längere Zeit. Hierdurch ist der Körper kurzfristig vor einer Vitamin-D-Intoxikation durch zu viel Strahlung geschützt.
Langfristig ergibt sich ein Schutz vor einer Vitamin-D-Intoxikation durch eine vermehrte Bildung von Melanin (Bräunung, dunkler Hauttyp in südlichen Ländern) in der Haut, welches Ultraviolett der Wellenlängen 290–320 nm absorbiert.
Der 7-Dehydrocholesterolgehalt der Haut sinkt mit dem Alter. Ferner nimmt beim Menschen im Alter die Fähigkeit der Haut, Vitamin D$_3$ zu bilden, ungefähr um den Faktor 3 ab im Vergleich zu einem 20-jährigen Menschen.
Für die blasse Haut eines hellhäutigen jungen Erwachsenen ist die minimale Erythemdosis (MED) (wenn die Haut anfängt, rot zu werden) an einem sonnigen Sommermittag auf 42° Breite in Meereshöhe (entsprechend Boston, Barcelona oder Rom) nach 10 bis 12 Minuten erreicht, ein dunkelhäutiger Mensch benötigt entsprechend 120 Minuten. Wird die Haut dieser Menschen ganzkörperbestrahlt, gibt sie innerhalb der nächsten 24 Stunden eine Menge vergleichbar mit 10.000 bis 20.000 IE (250 µg bis 500 µg) Vitamin D$_3$ aus Nahrungsmitteln an das Blut ab, ein Vielfaches der Nahrungsempfehlungen von 200 bis 500 IE Vitamin D$_3$ täglich. Eine starke Vitamin-D$_3$-Bildung in der Haut ist also schon bei einer kurzen, aber intensiven Sonnenbestrahlung mit hohem UV-B-Anteil möglich.
Da die Knochendichte bei dunkelhäutigen Menschen von der etwas verminderten Vitamin-D-Bildung aufgrund der geringeren Durchlässigkeit der Haut für UV-Strahlen nicht vermindert ist, wird davon ausgegangen, dass Dunkelhäutige eine geringere Konzentration des Vitamin-D-bindenden Proteins aufweisen.

### Verstoffwechselung von Vitamin D$_3$

Vitamin D$_3$ wird, vor allem gebunden an das Vitamin-D-bindende Protein, über das Blut in die Leber transportiert. Dort wird es von dem Enzym Cytochrom P450 2R1 in den Mikrosomen zu Calcidiol (25(OH)-Vitamin-D$_3$) hydroxyliert. Eine frühere Vermutung, dass diese Reaktion auch in den Mitochondrien stattfindet, wurde inzwischen widerlegt.
Calcidiol (25(OH)-Vitamin-D$_3$) wird in der Leber wieder an Vitamin-D-bindendes Protein gebunden und in das Blut abgegeben. Dort hat es eine Halbwertszeit von ca. 19 Tagen.
Diese enzymatische Reaktion ist wahrscheinlich keiner nennenswerten Regulation unterworfen, da der 25(OH)Vitamin-D$_3$-Spiegel im Blut ziemlich genau die längerfristige Vitamin-D$_3$-Versorgung der letzten drei bis vier Monate widerspiegelt, während der Vitamin-D$_3$-Spiegel die Versorgung der letzten Stunden bis Tage anzeigt.
Calcidiol (25(OH)-Vitamin-D$_3$) ist eine Speicherform des Vitamin D$_3$. Eine solche muss es geben, um die großen Spitzen und Pausen der hauptsächlichen Vitamin-D-Versorgung durch das Licht abfangen zu können. Die mittel- bis längerfristige Vitamin-D-Versorgung eines Organismus lässt sich am besten über den Blutspiegel des Calcidiols bestimmen (Näheres siehe unten).
1,25(OH)$_2$D$_3$ (Calcitriol) wird durch 24-Hydroxylase zur wasserlöslichen Calcitroinsäure abgebaut, die über die Galle ausgeschieden wird. Die 24-Hydroxylase wird durch das Gen CYP24A1 codiert.

## Vitamin-D-Mangel

Siehe auch: Vitamin-D3-Mangel
Ein Vitamin-D-Mangel führt mittelfristig bei Kindern zu Rachitis und bei Erwachsenen zu Osteomalazie. Auf folgende Erkrankungen hat ein Vitamin-D-Mangel ungünstige Auswirkungen:
* Osteopathien (Knochenerkrankungen)
* Myopathien (Muskelerkrankungen)
* Infektionen
* entzündliche Erkrankungen
* Bluthochdruck
* Schuppenflechte
* Typ-1- und Typ-2-Diabetes
* kardiovaskuläre Erkrankungen

## Natürliche Quellen

Die Nahrungsaufnahme deckt meist nur 5 bis 20 % des Vitamin-D$_3$-Bedarfs. Daher ist eine direkte Sonnenbestrahlung der Haut zur Vitamin-D$_3$-Bildung unerlässlich. An sonnigen Sommertagen wird der Tagesbedarf allein hierdurch um ein Vielfaches gedeckt; im Frühjahr, Sommer und Herbst kann eine ausreichende Menge gebildet werden. In Deutschland ist in den Wintermonaten die UV-B-Strahlungsintensität zu niedrig für eine Vitamin-D-Bildung. Die im Sommer aufgebauten Vitamin-D-Reserven im Körper und die Nahrung sind dann alleinige natürliche Quellen.

### Bildung durch Sonnenlicht

Verantwortlich für die Vitamin-D$_3$-Bildung durch Sonnenexposition ist der UV-B-Anteil im Sonnenlicht. Diverse Faktoren beeinflussen die Lichtintensität und die letztendliche Vitamin-D$_3$-Bildung in der Haut, wie z. B. die Hautfarbe der Person, der Höhe der Sonne über dem Meeresspiegel, die Beschaffenheit der Erdoberfläche, die Bewölkung, Smog oder die Ozonschicht. Wenn die UV-B-Strahlungsintensität zu gering ist, beispielsweise im Winter (Oktober bis März in Deutschland), kommt es aufgrund der fehlenden Vitamin-D-Bildung zu einem Absinken des Vitamin D-Blutserumspiegels.
Fensterglas absorbiert nahezu alle UV-B-Anteile im Sonnenlicht und Sonnencreme behindert die Vitamin-D$_3$-Produktion bereits bei LSF 8 um mehr als 97 %. Ein Solarienbesuch ist in der Regel nicht förderlich, da die Haut hier meist mit UV-A- und nicht mit UV-B-Licht bestrahlt wird. UV-A-Strahlung erhöht zudem das Hautkrebsrisiko.

### Aufnahme durch die Nahrung

Vitamin D$_3$ ist kein gewöhnlicher Nahrungsbestandteil. Der zu empfehlende Tagesbedarf (RDA) an Vitamin D$_3$ wird unter Wissenschaftlern und Verantwortlichen für die Gesundheitsversorgung diskutiert. Die derzeitigen Empfehlungen werden von Forschern auf diesem Gebiet als entweder irrelevant (für ausreichend UV-B-lichtexponierte Personen) oder unzureichend (für die Mehrzahl der Bevölkerung höherer Breiten) angesehen. Für Risikogruppen einer Vitamin-D-Defizienz (dunklere Hautfarbe, Lichtmangel und andere Ursachen) wird eine Überprüfung des Vitamin-D-Spiegels empfohlen. Für Kinder im ersten Lebensjahr wird eine tägliche orale Gabe von 400 Internationalen Einheiten (IE) empfohlen. Für Schwangere und Stillende wird eine tägliche orale Aufnahme von 600 IE empfohlen.

## Vitamin-D-Bestimmung

Die Bestimmung des Vitamin-D-Spiegels im Blutserum reflektiert nur die Vitamin-D-Aufnahme mit der Nahrung bzw. die Eigensynthese in der Haut während der letzten Stunden bis Tage. Für eine Untersuchung des längerfristigen Vitamin-D-Status ist die Bestimmung des Calcidiol-Spiegels im Blut, in das Vitamin D$_3$ in der Leber rasch umgewandelt wird (siehe oben), sinnvoller. Die Halbwertszeit des Calcidiols in der Blutzirkulation ist je nach Vitamin-D-Gesamtstatus 1–2 Monate. Bis sich nach einer Änderung der täglichen Vitamin-D-Zufuhr ein neues Fließgleichgewicht mit einem dann wieder stabilen Serumwert einstellt, vergehen bis zu vier Monate.
Das Calcidiol lässt sich seit Anfang der 1980er Jahre bestimmen und ermöglichte ein weitergehendes Verständnis für die Physiologie des Vitamin D$_3$. Die Angabe der Messwerte erfolgt entweder in Gewichts- oder molaren Konzentrationseinheiten, wobei 1 ng/ml etwa 2,5 nmol/l entspricht.

## Überdosierung und Toxizität

Eine akute oder chronische Vitamin-D-Überdosierung kann zu einer Vitamin-D-Hypervitaminose führen. Die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) hat 2012 folgendermaßen zur Sicherheit von Vitamin D$_3$ Stellung genommen:
    Eine maximale tägliche Dosis von 100 µg (4000 IE) für Jugendliche und Erwachsene (inklusive Schwangere und stillende Mütter) und 50 µg (2000 IE) für Kinder von 1 bis 10 Lebensjahren ist von Gesunden ohne Risiko von Nebenwirkungen auch ohne medizinische Aufsicht langfristig einnehmbar.
    Gemessen an den üblichen Vitamin-D-Dosierungen lässt diese Stellungnahme für Erwachsene sogar einen weiteren Spielraum zu: Die EFSA zitiert 2 Studien, die einen NOAEL (no observed adverse effect level) für Vitamin D von 250 µg (10000 IE) etablierten. Bei Säuglingen ist der Sicherheitsbereich geringer.
Von den meisten Autoren wird für Erwachsene eine tägliche Zufuhr bis zu 100 µg (4000 IE) Vitamin D$_3$ über sechs Monate als sicher angesehen, das heißt ohne nachprüfbare Nebenwirkungen wie eine erhöhte Calciumausscheidung im Urin.
Die Packungsbeilagen von apothekenpflichtigen Vitamin-D-Präparaten geben für Erwachsene mit normaler Funktion der Nebenschilddrüsen eine Überdosierungschwelle zwischen 40.000 und 100.000 IE pro Tag über ein bis zwei Monate an. Säuglinge und Kleinkinder können schon auf weitaus geringere Dosen empfindlich reagieren. Die Packungsbeilage eines Medikaments gilt normalerweise sowohl medizinisch als auch juristisch als ausschlaggebend.

## Herstellung

Ein Verfahren zur Herstellung von Cholecalciferol verwendet Wollwachs, das sich in der Wolle von Schafen ansammelt. Hierzu wird zunächst Cholesterin aus dem Wollwachs isoliert. Das gewonnene Cholesterin wird dann analog zur Biosynthese des Cholecalciferols bis zum 7-Dehydrocholesterol weiterverarbeitet. Dieses wird im Anschluss mit Ultraviolettstrahlung behandelt, sodass nach der fotochemischen Ringspaltung noch 7-Dehydrocholesterol, Prävitamin D$_3$ sowie die Vitamin D$_3$-Enantiomere Lumisterol und Tachysterol vorliegen. Das 7-Dehydrocholesterol wird nun durch Zugabe und Reaktion mit Methanol entfernt. Das Gemisch wird anschließend noch erhitzt um aus dem vorliegenden Prävitamin D$_3$ das physiologisch verwertbare Cholecalciferol zu erhalten.
Cholecalciferol kann aus dem Schlachtnebenerzeugnis Rinderhirn hergestellt werden. Weiterhin gibt es vegane Produkte, die mit Hilfe von Algen hergestellt werden.

## Verwendung als Rodentizid

Cholecalciferol kann auch als Rattengift bzw. Gift gegenüber Nagetieren (Rodentizid) verwendet werden: Der LD$_{50}$ (oral) bei der Ratte liegt bei etwa 42 mg/kg Körpergewicht, bei der Hausmaus bei ca. 43 mg/kg Körpergewicht und bei der Kleinen Bandikutratte (Bandicota bengalensis) je nach Geschlecht bei 31-35 mg/kg. Da Cholecalciferol in der Natur selten frei vorkommt, konnten Nagetiere evolutionär gegenüber hohen Dosen keine Toleranz entwickeln. Ursprünglich ging man davon aus, dass es als Rodentizid gegenüber anderen Arten, wie beispielsweise Hunde oder Katzen, schwach toxisch sei; es zeigte sich aber, dass dies nicht der Fall ist. Bei Hunden gilt eine LD$_{50}$ von ca. 88 mg/kg Körpergewicht, es ereigneten sich bereits Todesfälle bei 2 mg/kg, besonders Welpen sind anfälliger. Katzen zeigen sich resistenter. In Neuseeland wurden Cholecalciferol-haltige Köder in Feldversuchen zur Bekämpfung des Fuchskusu erfolgreich eingesetzt.
Cholecalciferol ist in der EU und in der Schweiz für die Verwendung als Biozid der Produktart 14 (Rodentizide) zugelassen.

## Handelsnamen

Monopräparate: Dekristol (D), Vigantol (D), Oleovit D3 (A), diverse Nahrungsergänzungsmittel