K-vitamiinit

K-vitamiini on termi ryhmälle vitamiineja, joilla samat biologiset toiminnot kuin fyllokinonilla ihmisissä ja muissa eläimissä. Luontaisia K-vitamiineja ovat fyllokinoni eli K₁-vitamiini ja menakinonit eli K₂-vitamiinit. Nämä ovat 2-metyyli-1,4-naftokinoneita, joissa on perättäisten isopreenien ketju. Fyllokinonissa isopreenejä on 4 – vain suoraan kinoniin liittyneen isopreenin metyylin kohdalla on kaksoissidos, muut ovat yksöissidoksellisia. Menakinonit ovat aineryhmä, joiden isopreenien määrä vaihtelee. Kunkin isopreenin metyylin kohdalla on usein kaksoissidos. Menakinonien lyhenne on MKn, jossa n on isopreenien määrä. Menatetrenonissa eli MK4:ssä isopreenejä on 4, MK5:ssä 5 jne. On myös monia keinotekoisia K-vitamiineja, kuten pelkästä 2-metyyli-1,4-naftokinista koostuva menadioni eli K₃-vitamiini, mutta myös muita edeltävistä rakenteellisesti eriäviä aineita.
Ihmisillä ja muilla selkärankaisilla K-vitamiinit ovat koentsyymeitä eli pakollisia apumolekyylejä gammaglutamyylikarboksylaasille. Tämä entsyymi muuntaa translaation jälkeisesti tiettyjen proteiinien tiettyjä glutamaatteja γ-karboksiglutamaateiksi. Tunnetuimmat muutoksen läpikäyvät proteiinit vaikuttavat veren hyytymiseen. K-vitamiineja vaaditaan siis muun muassa veren hyytymiseen. Monet kasvit, levät, syanobakteerit, bakteerit, arkit ja sienet tuottavat K-vitamiineja, joille ne siis eivät ole vitamiineja. Näissä K-vitamiinit siirtävät elektroneja ATP:tä tuottavissa elektroninsiirtoketjuissa.
Fyllokinoni on ihmisten ravinnon yleisin K-vitamiini. Sitä on eniten lehtevissä vihreissä kasviksissa, kuten lehtikaalissa, ja toiseksi eniten kasviöljyissä. Aineen saatavuus kasviksista on ihmisillä usein huonoa ja usein vain 5–10% kasvisten fyllokinonista imeytyy. Menakinoneja on eniten bakteerikäytetyissä ruuissa, kuten juustoissa ja nattōssa. Lihoissa ja munissa on lähinnä menakinoneja, joskin paljon vähemmän kuin vaikkapa juustoissa, ja ne ovat pääosin MK4:n muodossa. Ruokavalioissa menakinonit kattavat usein määrällisesti alle 20% K-vitamiinisaannista. Ne kuitenkin imeytyvät niitä sisältävistä ruuista usein hyvin, joten oikeasti ne voivat kattaa jopa 50% K-vitamiinisaannista. Eläimillä suolistobakteerit tuottavat menakinoneja, mutta esimerkiksi ihmisillä ne eivät yksin kata K-vitamiinitarvetta.
K-vitamiinipuutos muun muassa hidastaa veren hyytymistä ja voi vakavana johtaa sisäisiin verenvuotoihin. Puutos on aikuisilla hyvin harvinainen tila. Syynä on vain harvoin liian pieni K-vitamiinisaanti ruuasta, sillä niitä on paljon monissa ruuissa. Puutos johtuu useammin epäsuorista syistä, kuten K-vitamiinien biologisia toimintoja estävän varfariinin tai muiden mekanismiltaan samanlaisten antikoagulanttien käytöstä. Vastasyntyneillä vakava puutos on luonnostaan yleinen ja 5–10 vastasyntyneellä 100 000:sta ilmenee siitä johtuvia verenvuotoja. Näiden ennaltaehkäisemiseksi Suomessa ja monissa muissa maissa kaikille vastasyntyneille annetaan siksi fyllokinonia lihaspistoksena tai nieltynä pian syntymän jälkeen.
K-vitamiinit eivät ole kovin myrkyllisiä. Fyllokinonilla ei ole havaittu haittoja suurin annoksin. Joillakin menakinoneilla haittoja on havaittu vain erittäin suurin ja pitkään jatkuvin annoksin.

Liikasaanti

Suomen valtio tai EFSA ei ole asettanut K-vitamiinien päiväsaannille ylärajaa. Vitamiineista fyllokinoni on verrattain turvallinen aine. Ihmisillä esimerkiksi kuukauden jatkuneet 10 mg/vrk annokset fyllokinonia eivät ole olleet haitallisia. Muilla eläimillä kuukauden jatkuneet 2000 mg/kg vuorokausiannokset eivät ole aiheuttaneet havaittavia haittoja.
Menadioni on suurin annoksin myrkyllinen. Kananpojille ja hiirille niellyn menadionin LD50 on vastaavasti 800 ja 600 mg/kg. Koe-eläinten pääasiallinen myrkytysoire on hemolyyttinen eli punasolutuhosta johtuva anemia ja haiman laajentuminen. Hemolyysiä aiheuttavat happiradikaalit, sillä menadioni voi pelkistyä semikinoniradikaaliksi, joka reagoi hapen kanssa tuottaen superoksidin.
Kokeessa, jossa rotille ja koirille syötettiin vuoden ajan MK4:ää 100 ja 500 mg/vrk annoksin per painokilo, havaittiin kokeen puolivälissä painonlaskua ja merkittävää veren punasolukatoa ja hemoglobiinipitoisuuden laskua. Rotille suun kautta syötetyt 2000 mg kerta-annokset MK7:ää eivät olleet haitallisia, eivätkä 90 päivää jatkuneet 20 mg/vrk annokset.

Ominaisuudet

Naftokinonin omaavat K-vitamiinit ovat kellertäviä, sillä ne absorboivat naftokinonin takia UV-säteilyä ja violettia näkyvää valoa (keltaisen vastaväri). Fyllokinoni on huoneenlämmössä viskoosi öljy. Sen sulamispiste on -20 °C. Menakinonit ovat kiinteitä. Fyllokinoni ja menakinonit ovat rasvaliukoisia. Ne liukenevat hyvin vaikkapa dietyylieetteriin, petrolieetteriin, heksaaniin ja asetoniin, mutta ovat heikkoliukoisia etanoliin ja metanoliin, ja liukenemattomia veteen. Ne hajoavat herkästi emäksissä ja valossa. Ne ovat kuitenkin vakaita ilmassa ja kestävät alle 100 °C lämpötiloja verrattain hyvin. Kuitenkin esimerkiksi fyllokinoni alkaa hajota kiehumatta 100–120 °C:ssa. Sitä voidaan tyhjiötislata ilman hajoamista.

Valmistus

Menadionia ja fyllokinonia tuotetaan teollisesti kemiallisella synteesillä. MK5–14 menakinoneja tuotetaan teollisesti bakteerien avulla, muttei juuri synteettisesti. Menakinonien pituus riippuu käytetystä bakteerikannasta.

Elektroninsiirto

Fyllokinonin ja menakinonien kinonirakenteet voivat pelkistyä kinoleiksi. Nämä voivat hapettua takaisin kinoneiksi. Siksi ne toimivat kahden elektronin siirtäjinä ubikinonin tapaan elektroninsiirtoketjussa, joissa tuotettujen solukalvojen sähkökemiallisten pitoisuuserojen avulla tuotetaan ATP:tä. Fyllokinoni on tässä roolissa monissa fotosynteesiin pystyvien eliöiden kloroplasteissa, kuten kasveissa, levissä ja syanobakteereissa. Menakinonien rooli on sama monien mikrobien, kuten bakteerien, arkkien ja sienten soluhengityksessä.

Imeytyminen

K-vitamiinit liukenevat sappinesteen avulla miselleihin muiden rasvaliukoisten vitamiinien (A, E ja D) tapaan. K-vitamiinien imeytymismekanismi tunnetaan huonosti. Fyllokinoni imeytyy suolisoluihin tiettävästi kalvoproteiinien CD36, NPC1L1 ja SCARB1 kautta lähinnä ohutsuolen mahalaukun läheisestä päästä. Soluissa ne pakataan kylomikroneihin. Nämä päätyvät imunesteeseen ja sieltä vereen.
Muun muassa menakinonit MK4 ja MK9 imeytyvät huonommin kuin vapaa fyllokinoni, mutta MK7 imeytyy tätä paremmin. Kasvisten fyllokinoni ei kuitenkaan ole vapaana, vaan sitoutunut kloroplasteihin, joista sen imeytyminen on huonompaa kuin menakinonien imeytyminen niitä sisältävistä ruuista.
Ihmisten ja eläinten suolibakteerit tuottavat pitkäketjuisia menakinoneja. Nämä imeytyvät toimien K-vitamiineina. Ihmisillä bakteerien tuottamat menakinonit eivät silti yksin riitä takaamaan kehon K-vitamiinitarvetta. Ihmiskehon MK4 ei juuri muodostu bakteerien tuottamana, vaan solut tuottavat sitä fyllokinonista muuntamalla tätä välillisesti menadioniksi. UBIAD1-kalvoproteiini, jota on useissa soluissa muun muassa endoplasmakalvostossa ja golgin laitteessa, tuottaa menadioneista geranyyligeranyylipyrofosfaattien avulla MK4:ää.

Kuljetus

Veren K-vitamiineja sisältävät kylomikronit päätyvät maksaan. Vitamiinit pakataan maksassa VLDL:iin, joissa se siirtyy veressä muualle kehoon ja muihin lipoproteiineihin, kuten LDL:ään ja HDL:ään.
Fyllokinonin tai menakinonien veripitoisuudet vaihtelevat saannin mukaan – niitä ei voida käyttää toteamaan vaikkapa K-vitamiinipuutosta. Fyllokinonin veripitoisuuksien on mitattu olevan isoimmat 4–10 tunnin kuluttua sen syömisestä, MK4:n noin 2 tunnin ja MK7:n ja MK9:n 4–6 tunnin kuluttua. Fyllokinonin puoliintumisaika veressä on 0,22–8,80 tuntia. MK4 poistuu verestä alle 24 tunnissa, MK7 noin 96 tunnissa ja MK9 noin 48 tunnissa.

Varastoituminen

Terveillä aikuisilla ihmisillä on kehossa fyllokinonia keskimäärin 0,55 µg/kg tasapainotilassa, jossa vitamiinia saadaan ja sitä poistuu kehosta yhtä nopeasti. Pitoisuudet kuitenkin vaihtelevat suuresti henkilöstä toiseen saannista riippuen. K-vitamiineja myös poistuu kehosta verrattain nopeasti. Aikuisilla ensimmäisiä puutosoireita ilmenee vähintään 2–3 viikossa saataessa K-vitamiineja ruuasta liian vähän.
Useissa kudoksissa on fyllokinonia ja menakinoneja, mutta pääosa on maksassa. Riippuen saannista, aikuisilla on maksassa fyllokinonia 3–34 ng/g ja MK4–13 menakinoneja noin 21–239 ng/g. Menakinonien keskinäisten maksapitoisuuksien on eri tutkimuksissa havaittu vaihtelevan suuresti.

Hajotus ja erittyminen

Ihmiset hajottavat fyllokinonia 5-hiilisen eli 5C (CAS numero 34927-45-2) ja menakinoneja 7C (CAS 51732-61-7) ketjun menadionijohdannaisiksi. Nämä muodostuvat samoin kuin E-vitamiinien hajoamistuotteet. Hajotus alkaa isoprenoidiketjun pään hydroksylaatiolla eli ω-hydroksylaatiolla. Tätä seuraa ketjun lyheneminen β-oksidaatiolla. Tuotteet muuntuvat vesiliukoisemmiksi lähinnä glukuronidaatiolla. Myös 10C johdannaisia muodostuu. Lähinnä 5C, 7C ja 10C johdannaiset erittyvät pois virtsassa, ja 5C ja 7C sappinesteessä ulosteeseen.

Historia ja nimet

1929 Henrik Dam havaitsi Kööpenhaminan yliopistossa rasvattoman ja kolesterolittoman ruokavalion saavan kananpojilla aikaan verenvuotoja ihossa ja lihaksissa. Oireiden arveltiin johtuvan C-vitamiinin puutoksesta eli keripukista, mutta Dam kollegoineen osoittivat pian etteivät suuret C-vitamiiniannokset parantaneet tilaa. 1935 Dam ehdotti rasvaliukoiselle aineelle nimeä K-vitamiini. Myöhemmin Dam selitti valinneensa symboliksi kirjaimen K, sillä sitä aakkosjärjestyksessä edeltäviä kirjaimia käytettiin jo symboleina muille tuolloin vitamiineiksi oletetuille aineille. Kirjain K myös sattui olemaan saksan ja joidenkin skandinaavisten kielten veren hyytymistä merkitsevien sanojen ensimmäinen kirjain. Myöhemmin tosin paljastui että osa muita kirjaimia käyttävistä vitamiineista ei ollutkaan vitamiineja tai ne nimettiin uudelleen, kuten H-vitamiini, joka tunnetaan nykyään nimellä biotiini.
K-vitamiinia löydettiin vihreistä kasveista, kuten sinimailasesta, ja muun muassa eläinten maksoista. 1935 sitä havaittiin muodostuvan myös mikrobien vaikutuksesta, sillä mädän kalan syöttö esti puutoksen oireita koe-eläimillä.
1939 Edward Doisy ja kollegat nimesivät sinimailasesta eristetyn ja massaltaan kevyemmän K-vitamiinin K₁-vitamiiniksi ja mädästä kalasta eristetyn raskaamman aineen K₂-vitamiiniksi.
1939 Doisy ja kollegat esittivät K₁-vitamiinin eli fyllokinonin rakenteen ja valmistivat sitä. 1940 he esittivät ensimmäisen menakinonin rakenteen ja valmistivat sitä. Tämä menakinoni oli MK7.