D-vitamiini tarkoittaa rasvaliukoisia 9, 10-sekosteroideja, jotka ovat mm. riisitautia, osteomalaasia sekä osteoporoosia ehkäiseviä hormoneja ihmisillä ja eläimillä. D-vitamiini voi ihossa syntetisoitua auringonvalon vaikutuksesta ja metaboloitua sitten maksassa ja munuaisissa metabolisesti aktiiviseen muotoon, jota kutsutaan 1α,25-dihydroksi-D-vitamiiniksi. 1α,25-dihydroksi-D-vitamiini voi D-vitamiinireseptoriin (VDR) sitoutumisen kautta säädellä satojen luuston ja muihin biologisiin toimintoihin osallistuvien geenien imeytymistä. D-vitamiini on aivan välttämätön luun mineralisaation ylläpitämiseksi kalsiumia ja fosforin homeostaasia säätelemällä. Samoin D-vitamiinilla on useita muita kuin luustovaikutuksia, varsinkin immuuni-, hormoni- ja sydän- ja verisuonijärjestelmiin.

D-vitamiinit edistävät luuston normaalia kasvua ja ylläpitoa sekä säätelevät veren kalsium- ja fosfaattipitoiduuksia. Luonnon D-vitamiineja on vain muutamia, mutta keinotekoisia D-vitamiineja on yli 2 000. D3-vitamiinia (kolekalsiferolia) saadaan myös ravinnosta tai se syntetisoituu ravintolisistä, mutta ihmisen iho tuottaa 7-dehydrokolesterolia, joka muuntuu D3-vitamiiniksi altistuessaan auringonvalon tai muiden lähteiden UVB-säteilylle, jonka aallonpituus on noin 300 nanometriä. D-vitamiini muuntuu maksassa kalsidioliksi ja munuaisissa se muuntuu kalsitrioliksi. D-vitamiini on erittäin tärkeä luuston normaalille kehitykselle sekä luuston kunnon ylläpitämiselle. Lapsille vaikea D-vitamiinin puutos voi aiheuttaa riisitautia ja aikuisille puutos taas aiheuttaa osteomalasiaa. D-vitamiinin puutteesta johtuva sekundaarinen hyperparatyreoosi voi lisätä luun hajoamista ja kiihdyttää siten osteoporoosia. Satunnaistetut kliiniset tutkimukset ovat osoittaneet, että vähintään 800 IU/päivä D-vitamiinilisän nauttiminen voi vähentää iäkkäiden ihmisten kaatumis- ja murtumien muodostumisen riskiä.

D-vitamiini voi säädellä solujen erilaistumista ja niiden kasvua sitoutumalla D-vitamiinireseptoreihin, joita löytyy useimmista ihmiskehon soluista. Erilaisissa havaintotutkimuksissa on raportoitu vähäiselle auringonvalolle altistumisen, huonon D-vitamiinipitoisuuden ja lisääntyneen paksusuolen- ja rintasyövän riskin välisistä yhteyksistä. Useat erilaiset havaintotukimukset ovat osoittaneet käänteisistä yhteyksistä D-vitamiinin tilan ja autoimmuunisairauksien herkkyyden tai vakavuuden välillä, mukaan lukien tyypin 1 diabetes, multippeliskleroosi, nevelreuma ja systeeminen lupus erythematosus (SLE). SLE on pitkäaikainen eli krooninen autoimmuunisairaus, jonka oireita esiintyy monissa elimistön eri osissa, kuten mm. iholla, nivelissä, veressä, munuaisissa ja keskushermostossa. Autoimmuunisairauksissa kehon oma puolustusjärjestelmä hyökkää elimistön omia kudoksia vastaan sen sijaan, että suojelisi niitä bakteereilta ja viruksilta.

Verenkierrossa olevien D-vitamiinipitoisuuksien ja tyypin 2 diabeteksen riskin välillä monet havainnointitutkimukset ovat huomanneet käänteisen suhteen oleman olemassa. Parhaillaan tutkitaan satunnaistetuissa kliinisissä tutkimuksissa, voiko D-vitamiinilisän käyttö rajoittaa kognitiivisten ominaisuuksien heikkenemistä ja taudin etenemistä sellaisilla potilailla, joilla on hermostoa rappeuttava sairaus. Myös D-vitamiinin puute saattaa liittyä moniin haittavaikutuksiin raskaina oleville äideille ja heidän vastasyntyneille lapsilleen. Tutkimuksista on löytynyt hyvin lupaavaa näyttöä siitä, että D-vitamiini voisi kohentaa atooppista ihottumaa sekä Morbus Crohnin taudin hoitoa. On huomattu havaintotutkimusten dokumentoinneissa yhteys D-vitamiinin puutteen ja koronavirustaudin, COVID-19:n, lisääntyneen ilmaantuvuuden sekä saman taudin vakavuuden välillä.

D2-vitamiini (ergokalsiferoli) on D-vitamiinianalogi, jota fotosyntetisoidaan kasveissa, hiivassa ja sienissä. D-vitamiinin ravinnon täydentämiseen käytetään joskus myös D2-vitamiinia. D-vitamiinin saanti oraalisesti (suun kautta) on välttämätöntä, kun ihon D3-vitamiini on riittämätöntä liian vähäisestä altistumisesta UVB-säteilylle. Sekä kolekalsiferoli että ergokalsiferoli ovat biologisesti inaktiivisia D-vitamiinin esiasteita. Munuaisissa ja maksassa ne on vielä muutettava biologisesti aktiivisiksi muodoiksi. D-vitamiini kulkeutuu verenkiertoon ja kuljetetaan maksaan D-vitaamiinia sitovan proteiinin sekä pienissä määrin albumiinin avulla. D-vitamiini hydroksyloituu maksasoluissa muodostaen 25-hydroksi-D-vitamiinia (kalsidolia, kalsifedolia). 25-hydroksi-D-vitamiini on D-vitamiinin tärkein kiertävä muoto ja seerumin 25-hydroksi-D2- ja 25-hydroksi-D3-vitamiinipitoisuuksien summaa käytetään D-vitamiinin ravitsemustilan indikaattorina.

D-vitamiineja on ruuissakin ja yleisemmin se on joko D3-vitamiinia tai ergokalsiferolia eli D2-vitamiinia. D3-vitamiinia saadaan lähinnä eläinperäisistä tuuista ja D2-vitamiinia esim. sienistä. Ihmisissä D2-vitamiini on noin 70-75 prosenttia pienipitoisempi D-vitamiini kuin D3-vitamiini. Hyviä D3-vitamiinin lähteitä ovat mm. maksat, rasvaiset kalat ja kananmunat. Kalsidioli on ihmisessä 1.7-8 kertaa tehokkaampi D-vitamiini kuin D3-vitamiini. Kalsidiolia on varsinkin kananmunan keltuaisessa ja joissain sisäelimissä, kuten nautojen maksoissa ja munuaisissa. Kasvisperäisissä ruuissa D-vitamiineja ei tavallisesti juuri ole. Munuaisten 25-hydroksi-D3-vitamiini-1-1a-hydroksylaasientsyymi (tunnetaan muyös nimellä CYP27B1) katalysoi lopulta toisen hydroksylaation, joka muistuttaa 25-hydroksi-D-vitamiinin 1a,25-hydroksi-D-vitamiiniksi (kalsitrioliksi). 1α,25-dihydroksi-D-vitamiinin tuotantoa munuaisissa säätelevät useat tekijät, kuten mm. seerumin fosfori, kalsium, lisäkilpisrauhashormoni (PTH), fibroblastikasvutekijä-23 (FGF-23) ja itse 1a,25-hydroksivitamiini D. Vaikka munuaiset ovat etupäässä 1α-hydroksylaasiaktiivisuuden lähde, 1α,25-dihydroksi-D-vitamiinin munuaisten ulkopuolista tuotantoa on osoitettu myös useissa kudoksissa, kuten ihossa, lisäkilpirauhasessa, rinnassa, paksusuolessa, eturauhasessa sekä luusolujen ja immuunijärjestelmän soluissa. Merkittävin osa D-vitamiinin fysiologisesta vaikutuksesta kehossa liittyy 1α,25-dihydroksi-D-vitamiinin aktiivisuuteen.

Lähes kaikki D-vitamiinin vaikutuksista välittyvät D-vitamiinireseptorina (VDR) tunnetun tuman transkriptiotekijän kautta. Päätyessään solun tumaan 1α,25-dihydroksi-D-vitamiini sitoutuu VDR:ään ja värvää toisen tumareseptorin, joka tunnetaan nimellä retinoidi X-reseptori (RXR). 1α,25-dihydroksi-D-vitamiinin läsnä ollessa VDR/RXR-kompleksi sitoo pieniä DNA-sekvenssejä, jotka tunnetaan D-vitamiinin vaste-elementteinä (VDRE:t) ja käynnistää molekyylivuorovaikutusten sarjan, joka moduloi tiettyjen geenien transkriptiota. Seerumin kalsiumpitoisuuksien pitäminen kapealla alueella on elintärkeää hermoston normaalille toiminnalle sekä luun kasvulle ja luun tiheyden ylläpitämiselle. D-vitamiini on välttämätön kalsiumin tehokkaalle hyödyntämiselle elimistössä. Lisäkilpirauhaset havaitsevat seerumin kalsiumpitoisuudet ja erittävät lisäkilpirauhashormonia (PTH), jos kalsiumpitoisuudet laskevat alle normaalin. Lisäkilpirauhashormonin kohoaminen stimuloi 25-hydroksi-D3-1α-hydroksylaasientsyymin aktiivisuutta munuaisissa, mikä johtaa 1α,25-dihydroksi-D-vitamiinin lisääntyneeseen tuotantoon. Aktiivinen D-vitamiinimuoto, 1α,25-dihydroksi-D-vitamiini sitoutuu VDR:ään ja indusoi sitä, mikä johtaa geenien ilmentymisen muutoksiin, jotka normalisoivat seerumin kalsiumin lisäämällä ravinnon kalsiumin imeytymistä suolistosta, lisäämällä kalsiumin takaisinabsorpiota.

Kalsitrioli lisää VDR:n kautta RANKL-kalvoproteiinin (TNFSF11) tuottoa osteoblastisoluissa. RANKL yhtyy epäkypsien osteoklastien solukalvon RANK-reseptoreihin. RANK:n aktivoituminen johtaa solun kasvuun osteoklastiksi, joka hajottaa luita kalsiumiksi ja fosfaatiksi verenkiertoon. Osa veren fosfaatista ja kalsiumista päätyy takaisin luihin. Luun muodostuksella ja hajotuksella ja niiden kahden välisellä sopivalla tasapainolla on rooli normaalissa luuston kehityksessä. Eritoten ihmisen kasvun aikana lapsesta aikuiseksi luiden kasvu on nopeaa ja luuta tulee syntyä ja hajota nopeasti. Osteoklastit myös ylläpitävät veren fosfaatti- ja kalsiumpitoisuuksia jos niitä ei saada kylliksi ravinnosta. Pitkittyneessä puutoksessa luun fosfaattien ja kalsiumin uhraus vereen ja siitä välittömästi tärkeimpiin käyttökohteisiin johtaa luukatoon.

Ruuan fosfori imeytyy ohutsuolesta suolisoluihin fosfaatteina pääosin NPT2b:n (geeni SLC34A2) avulla, mutta myös passiivisesti diffuusiolla. Munuaisissa imeytyminen tapahtuu pääosin NPT2a:n (SLC34A1) ja NPT2c:n (SLC34A3) kautta. Hypokalsemiassa joko kalsitriolin tai lisäkilpisrauhasen pääsolujen parathormonin (TTH) eritys vereen kasvaa. Tällä keho pyrkii normalisoimaan veren kalsiumpitoisuuden. D-vitamiini alentaa PTH:n tuottoa VDR:n kautta ja on tällöin pääasiallinen veren kalsiumsäätelijä, mutta D-vitamiinipuutoksessa PTH on veren kalsiumin pääsäätelijä. PTH lisää kalsiumin vapautumista luista ja sen takaisinottoa virtsasta munuaisissa. Fosforin takaisinotto ei lisäänny, joten varhaisessa D-vitamiininpuutoksessa voi ilmetä hypofosfatemiaa, mutta veren kalsiumpitoisuus on normaali. Hyperkalsemiassa kilpirauhasen erittämä kalsitoniini alentaa ohutsuolessa, munuaisissa ja luissa kalsiumin päätymistä vereen. Se myös estää PHT:n vaikutuksen.