Витамин D. Зачем нужен свет?

Каждый знает, что свет солнца — важнейший источник энергии, поступающий в живые системы. Растения при помощи фотосинтеза преобразуют её в доступную для «простых смертных» форму, благодаря чему мы с вами до сих пор живы. Свет, конечно же, выполняет и другие функции (например, как это ни удивительно, он нужен для зрения). Собственно, одна и таких функций — биосинтез витамина D. Давайте разберёмся, зачем же там солнце.

Свет в химии

Химия — свет. (Народная мудрость)

Начнём с некоторых пояснений. В основном, участие света в химических процессах завязано на возбуждении электронов, из-за чего они переходят с высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) на низшую свободную молекулярную орбиталь (НСМО):

Благодаря такому переходу реакционная способность молекулы может меняться. Одним из ярких примеров реакций, на протекание которых сильно влияет свет, являются перициклические реакции. Перициклические реакции — реакции, в которых нет интермедиатов (т.е. они протекают в одну стадию).

Прим. ред.: Для полного определения перициклических реакций важно добавить, что все изменения связей происходят согласованно через циклическое переходное состояние.

Перициклические реакции делятся на три типа: циклоприсоединения (например, широко известная реакция Дильса-Альдера), сигматропные перегруппировки (например, [3,3]-сигматропный сдвиг или не столь широко известная бензидиновая перегруппировка) и электроциклические реакции.

Прим. ред.: Не стоит забывать, что есть и четвёртый тип — реакции группового переноса (например, Альдер-еновая реакция). Они часто сопровождаются гидридным или протоновым переносом и напоминают комбинацию сигматропной перегруппировки и циклоприсоединения: бимолекулярны, но в отличие от последнего, протекают без образования цикла.

Протекание перициклических реакций регулируется правилами Вудворда-Хоффмана:

Если сумма количеств невозбуждённых (4n+2)-электронных компонентов, перекрывающихся супраповерхностно, и невозбуждённых (4n)-электронных компонентов, перекрывающихся антароповерхностно, является нечётной, то реакция считается разрешённой орбитальной симметрией.

В случае возбуждённых систем, реакция идёт, если сумма тех же компонентов является чётной.

Анализ правил Вудворда-Хоффмана и их применение подробно описаны в статьях про [2+2]-циклоприсоединение и про электроциклические реакции. Нам же достаточно того факта, что при возбуждении реагирующих систем (например, светом, как было показано выше) перициклическая реакция может протекать в направлении, противоположном термической (то есть проходящей при нагревании, без облучения) реакции (то есть она может идти, если термически реакция запрещена, или идти в другом направлении по отношению к термической реакции (например, в случае электроциклических реакций)).

Витамин D

Ну а теперь давайте поговорим о витамине D (точнее, о витаминах D, потому что это целый класс витаминов). В химическом плане витамины D относятся к секостероидам (от латинского «secare» — разрезать), то есть стероидам, у которых разомкнуто одно из колец. Витамины D являются жирорастворимыми из-за своей гидрофобной структуры.

Вы наверняка слышали, что «на солнышке вырабатывается витамин D». Речь идёт о витамине D₃, который, в отличие от витамина D₂, может вырабатываться в организме человека (и поэтому, строго говоря, не является витамином). Его предшественником является 7-дегидрохолестерин, который у человека концентрируется в верхних слоях кожи. Там солнечный свет воздействует на 7-дегидрохолестерин и происходит электроциклическая реакция, в ходе которой один из шестичленных циклов 7-дегидрохолестерина раскрывается (то есть стероид превращается в секостероид), и образуется превитамин D₃.

Рассмотрим это превращение поподробнее. Раз электроциклическая реакция, она должна подчиняться правилам Вудворда-Хоффмана. Эти правила говорят, что электроциклические реакции разрешены и термически, и фотохимически, просто иногда они протекают конротаторно, а иногда — дисротаторно (подробнее об этом вы можете почитать тут). Давайте проанализируем нашу молекулу. В реакцию вступает одна 4n+2-электронная система — это шестичленный цикл, в котором взаимодействуют 6 электронов (т.е. в данном случае n=1), см. рисунок. Это значит, что реакция должна быть дисротаторной при термической активации и конротаторной при фотохимической. Казалось бы, цикл может раскрыться и без солнечного света, раз реакция термически тоже разрешена, но дело в том, что цикл может раскрываться только в одном направлении из-за того, что он включён в стероидную систему (иначе в одном из соседних шестичленных циклов образуется транс- двойная связь):

Как видим, эта реакция может протекать только конротаторно, то есть исключительно при фотохимической активации. Вот почему без солнечного света человеческий организм не может вырабатывать витамин D₃!

Но на этом перициклические реакции не заканчиваются. Превитамин D₃ претерпевает [1,7]-сигматропный сдвиг, после чего долгожданный витамин D₃ наконец-то синтезирован!

Что же из этого следует?

Следует жить. (Ю. Д. Левитанский)

Для чего нужен витамин D₃? При двойном гидроксилировании (в положения 1 и 25 углеродного скелета) он может переходить в активированную форму, кальцитриол, который является важным регулятором концентрации ионов кальция в организме человека (он повышает концентрацию кальция в крови за счёт частичного извлечения запасённого кальция из костей), а кальций, как известно, является регулятором многих биологических процессов.

Итак, витамин D₃ — совершенно необходимое человеческому организму вещество, которое человеческий организм не может синтезировать без помощи солнечного света, и всё из-за правил орбитальной симметрии! Так что рекомендуем вам побольше гулять на свежем воздухе и помнить о великой роли химии в жизненных процессах.

Любите химию — мать вашу!

Editorial review, remarks, and corrections by Goodwin.