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  維生素D有很多種,如圖,最主要的有兩種維生素D(麥角鈣化醇)和維生素D(膽骨化醇),它們合稱為鈣化醇,1932年研究人員闡明瞭維生素D的結構,而1936年,人們發現了維生素D,並發現它可以由7-脫氫膽固醇經紫外線照射轉化而來。  從化學結構上來說,維生素D都屬於開環甾體化合物,也就是甾體激素的一個環狀結構開啟了,維生素D和維生素D結構不同之處在於其側鏈,維生素D的22和23位碳之間是雙鍵,而且在24位碳上多了一個甲基。  維生素D(膽骨化醇)可以由其前體7-脫氫膽固醇經紫外線照射變構形成,只要讓面板暴露於充足的紫外光下就可以自然的產生足夠的維生素D奶製品廠家通常將牛奶在紫外線光下,以強化其中的維生素D.  維生素D是麥角固醇的衍生物,麥角固醇之所以以麥角命名,因為它是一種從名叫麥角菌的真菌的細胞膜上找到的固醇。麥角固醇同時也可以由浮游生物、無脊椎動物以及其他真菌合成。麥角固醇一經合成,在紫外線照射下就可以轉化為麥角鈣化醇,陸地之物和脊椎動物維生素D,因為它們體內不能合成麥角固醇,但能合成維生素D,但關於人類只吃維生素D能不能代替維生素D的攝入的討論的爭論還是很激烈。

  7億5000萬年前,球石藻類浮游生物就開始利用紫外線合成維生素D,對於硬骨類脊椎動物來說,離開富含鈣質的海水來到陸地上,維生素D對保證其鈣質骨骼來說非常重要,維生素D的合成必須要有紫外線參與,所以早期登陸的脊椎動物必須將身體暴露於陽光下或者補充富含維生素D的食物來滿足其機體對維生素D的需求。

  面板合成:  7-脫氫膽固醇在波長在270-300奈米(峰值295-297奈米)之間的紫外線照射下可以變構轉化為維生素D3,在陽光中的紫外線指數(夜間的紫外線指數為0,熱帶、高原地區、晴天時的紫外線指數為15——譯者注)大於3時或者在日光浴燈下,才會有這種能發揮作用的紫外線。日光浴燈產生的紫外線大多數是長波的A型紫外線,而產生維生素D3所需要的中波紫外線(B型紫外線)之佔其中4-10%,從地域上說,熱帶地區人們天天都可以產生維生素D3,溫帶地區的人們春夏季節也可以,而極地地區的人們,紫外線強度幾乎不可能使之產生維生素D3. 似乎血清25(OH)D的平均濃度的差異應該隨緯度升高而降低,但是實際上並不和預想那樣一致,比如在夏天,加拿大北部地區的日照強度和時間綜合起來比赤道地區還要強,而且,高緯度地區在春季夏季抑或秋季機體都有可能形成並儲存足夠的維生素D,UVB產生的維生素D(異構作用,非酶促反應,沒法控制)功能非常強大,以至於面板形成的多餘的維生素D3必須及時降解掉,以免產生毒性。最終使維生素D的合成和降解達到平衡狀態。  面板分為兩層:內層為真皮層,主要由結締組織形成;外層為表皮層,在厚厚的腳掌和手掌,表皮層又分為五層,自外而內是:角化層、透明層、粒層、棘皮層和基底層,維生素D就在棘皮層和基底層細胞中合成,  膽骨化醇主要由7-脫氫膽固醇經紫外線照射形成,7-脫氫膽固醇的合成在大多數脊椎動物,包括人類面板細胞中都非常旺盛。而裸鼴鼠似乎生來缺乏膽骨化醇,因為其血液中測不出25(OH)D,對某些動物來說,厚厚的毛皮阻擋住紫外線,而這些鳥獸也有自己的辦法,它們把7-脫氫膽固醇分泌到毛皮表面,合成維生素D3後再自己舔回肚子裡去。

  維生素D通過血流輸送到肝臟,在那裡轉化為激素前體骨化二醇,迴圈中的骨化二醇在腎臟和單核巨噬細胞系統中轉化為骨化三醇,從而成為具有生物活性的維生素D,而在免疫系統中,骨化三醇(1,25(OH)D)發揮著細胞因子的作用,保護機體抵抗微生物入侵。腎臟將骨化二醇轉化為骨化三醇釋放入血,與維生素的結合蛋白結合,轉運到靶器官。  骨化三醇通過啟用維生素D受體發揮生物學效應,VDR存在於靶細胞表面,活化的VDR可以作為轉錄因子,調節運載蛋白(如TRPV6和Calbindin)的表達,參與小腸內鈣的吸收。  VDR屬於核受體中類固醇/甲狀腺素受體超家族,可以再大多數器官中表達,包括腦、心臟、面板、前列腺和乳腺等,VDR在小腸、骨骼、腎臟和甲狀旁腺的表達能夠保證血鈣血磷代謝正常(與甲狀旁腺激素和降鈣素協同作用),並可以維持正常骨量。  維生素D提高了腎上腺髓質細胞酪氨酸羥化酶的表達。也參與了神經營養因子、一氧化氮等物質的合成,並能提高機體谷胱甘肽的水平。  現在認為VDR也干預了細胞增殖和分化,而且對免疫系統也起到很強的免疫促進作用,很多種白細胞包括單核細胞,T細胞、B細胞都能夠表達VDR。  VDR除了可以啟用某些基因外,還有其他一些作用機理已經闡明。一個非常重要效果是它可以抑制刺蝟激素(一種參與器官形成的激素)的訊號轉導。  維生素D最重要的功能就是保持骨鈣的平衡。它可以增強小腸對鈣的吸收。提高破骨細胞的數量增強骨吸收,維持血鈣和血磷濃度維護正常骨量,並調整甲狀旁腺激素來維持血鈣平衡。維生素D缺乏會引起鈣磷代謝異常,導致骨密度降低,骨丟失(骨質疏鬆),甚至骨折。

  1913年,美國科學家Elmer McCollum和Marguerite Davis在魚肝油裡發現了一種物質,起名叫“脂溶性維生素A”,後來,英國醫生EdwardMellanby發現,餵了魚肝油的狗不會得佝僂病,於是得出結論維生素A或者其協同因子可以預防佝僂病。1921年Elmer McCollum使用破壞掉魚肝油中維生素A做同樣的實驗,結果相同,說明抗佝僂病並非維生素A所為。 他將其命名為維生素D,即第四種維生素。當時的人們還不知道其與其他人體無法自身合成的維生素不同,只要有紫外線,人體自己就可以合成維生素D。  1923年,人們知道7-脫氫膽固醇經紫外線照射可以形成一種脂溶性維生素(現在知道是D3),Alfred Fabian Hess甚至指出“陽光既是維生素”。德國哥廷根大學教授AdolfWindaus與1928年榮獲諾貝爾獎,以表彰其在研究固醇與維生素關係的工作。到了三十年代,他又成功的研究出維生素D的化學結構。  1923年威斯康辛大學Harry Steenbock證明了用紫外線照射食物和其他有機物可以提高其中的維生素D含量,用紫外線照射過兔子的食物,可以治療兔子的佝僂病。就用自己攢下的300美元為自己申請了專利,Steenbock用自己的技術對食品中的維生素D進行強化,到1945年他的專利權到期時,佝僂病已經在美國絕跡了。

  維生素D3(膽骨化醇)可以使用7-脫氫膽固醇用B型紫外線(UVB)照射後合成,然後進行純化取得成品。7-脫氫膽固醇廣泛存在於羊毛脂以及其他動物毛髮中,維生素D2所用的方法基本相同,但原材料麥角固醇來源於酵母或蘑菇。
維他命D也稱抗佝僂病維他命,是一類脂溶性維他命,屬類固醇化合物。在人類所需的維他命中,維他命D非常特殊,是一種激素的前體,而且人一天只要暴露在陽光下10分鐘,人體自身即可合成足夠的維他命D。