脂溶性維生素A、D、E、K對動物骨鈣素影響的研究進展

解新霞 閆素梅

大量研究表明，脂溶性維生素A、D、E、K對動物的骨骼發育有明顯的影響。Aburto等（1998）研究報道，過量維生素A顯著降低了骨灰分和增加了軟骨病的發生率。過量添加維生素D增加了腿病的發生率，尤其是軟骨發育不良。最近的研究結果顯示，維生素E可以改善骨結構、增強骨骼發育，在健康雄性鼠的骨合成代謝中發揮作用。Shiraki等（2000）的研究指出，維生素K2減少了椎骨和髖骨骨折的發生并且改善了骨質量。血液中的骨鈣素水平被廣泛地認為是衡量骨形成和骨重建動態過程的一個重要指標，在一定程度上可以反映動物的骨骼代謝狀況。鑒此，本文就脂溶性維生素對骨鈣素的影響作一綜述，以便為科學地添加脂溶性維生素及預防動物骨骼代謝疾病的發生提供參考依據。

1 骨鈣素的結構特點及功能

骨鈣素（osteocalin）又稱骨γ-羧基谷氨酸蛋白或骨依賴維生素K蛋白，是由成骨細胞產生和分泌的一種含量最豐富的非膠原蛋白，約占骨非膠原蛋白的15%～20%，占骨總蛋白的1%～2%，是反映成骨細胞活性特異而敏感的指標。不同種屬間的骨鈣素存在很大的同源性，人骨鈣素是由49個氨基酸組成，其分子在17，21，24位置上含有3個羧化谷氨酸殘基。γ-羧基谷氨酸殘基是在翻譯后由依賴維生素K和CO2的酶復合物催化合成，這種結構使骨鈣素的構象發生了改變，穩定了骨鈣素的α-螺旋部分，使其對鈣和羥磷灰石有更大的親和力，從而促進骨骼礦化。骨鈣素主要是在肝臟和腎臟被水解，最后由腎臟清除。

目前，關于骨鈣素的確切生理功能還不清楚。一般認為，骨鈣素的功能主要與骨形成及轉化有關，維持骨的正常礦化速率，抑制異常的羥磷灰石結晶的形成,抑制生長軟骨礦化的速度。骨鈣素含量的變化在一定程度上可以反映動物的骨骼代謝狀況，成骨細胞合成的骨鈣素大約20%釋放入血，血清中骨鈣素的檢測用來反映骨中骨鈣素的狀態，目前已被廣泛應用。

2 維生素D、K與骨鈣素

維生素D對動物的骨骼發育至關重要，對骨鈣素的生物合成具有調節作用，但其調節作用與維生素D的濃度有關。研究表明，維生素D缺乏或過量對骨的發育都有負面影響，都引起血清骨鈣素含量降低。王華等（2002）利用建立的維生素D缺乏的幼鼠動物模型追蹤其長骨的生長發育，結果發現，實驗組大鼠長骨的生長發育明顯落后于正常大鼠，血清骨鈣素水平隨實驗期延長呈進行性下降。鄧益鋒等（2001）研究結果表明，維生素D3過量（1000 IU/kg）時導致蛋雞骨密度顯著降低，并且隨著日糧維生素D3水平增高，血漿骨鈣素含量有降低趨勢。1,25-(OH)2D3是維生素D經肝臟、腎臟代謝后的活性形式，維生素D的活性代謝物還包括25-羥基維生素D3[25-(OH)D3]、24,25-二羥基維生素D3[24,25-(OH)2D3]，其中生物活性最強的代謝物是 1，25-(OH)2D3。Price 等（1985）報道了由成骨細胞合成的骨鈣素受1，25(OH)2D3的調節，但不是完全依賴于 1，25(OH)2D3。Jurutka 等（2002）報道了維生素D通過與維生素D受體結合形成復合物，該復合物再與視黃醇類X受體形成異二聚體，后者與骨鈣素基因啟動子中的維生素D反應元件結合，從而上調骨鈣素的基因表達。1，25(OH)2D3作為主要的骨骼鈣磷代謝調節激素，在體外試驗中可增強骨鈣素的合成。可見，骨鈣素的合成與維生素D的濃度有關。

研究表明，維生素K參與骨鈣素的羧化，進而對骨骼代謝有促進效果。維生素K作為羧化酶的輔助因子，在骨鈣素的羧化反應中使無活性的谷氨酸殘基轉變為有活性的γ-羧基谷氨酸，增加骨鈣素的羧化程度。維生素K有三種形式：在植物中為葉綠醌（Phylloquinone,維生素K1）；在動物中分離出維生素K2(Menaquinone)，許多細菌產物屬于這一類型；維生素K3（Menadione）是人工合成產物。在人的血清中，維生素K1的濃度在三種維生素K中最高。未羧化骨鈣素是反映老年女性髖部骨折的生化指標，同時顯示出低的血清維生素K1濃度。在體外成骨細胞培養中，維生素K2可增強細胞外基質中骨鈣素的蓄積。在關于不同日糧維生素K3水平對肉雞骨骼質量影響的機理研究中得出，維生素K3促進了骨鈣素的羧化，減少了血清中未羧化骨鈣素的濃度，從而增強了骨鈣素與羥磷灰石的結合能力，促進了骨骼的礦化并改善了骨骼的質量。血清中骨鈣素的羧化程度是維生素K營養狀態評定的一個新的敏感指標。趙新華等(1999)的實驗結果得出，補充維生素K的去卵巢大鼠血清中的谷氨酸γ-羧基化骨鈣素水平升高，且股骨和腰椎骨密度明顯增加。

一般認為，維生素K影響骨骼代謝是在維生素K依賴性蛋白的翻譯后修飾水平以輔酶的形式發揮作用，即維生素K作為羧化酶的輔助因子通過羧化反應使無活性的谷氨酸殘基轉變為有活性的γ-羧基谷氨酸，激活后的分子與鈣離子有很強的親和力并且與羥磷灰石一起沉積在骨組織中，使骨礦化。也有研究表明，維生素K對骨骼發育的影響不僅通過羧化作用，還可能是通過一條新的信號通路，即維生素K通過激活轉錄因子SXR，從而上調其靶基因細胞外基質TSK、MATN2的表達，增強了膠原蛋白的蓄積作用，進而改善了骨質量。維生素K影響骨骼代謝的新機制為骨質疏松癥、骨折等骨病的治療提供了新的應用前景。關于維生素K對骨鈣素基因表達的影響研究報道極少，Koshihara等（1996）在體外對人骨膜成骨細胞培養的研究中發現，在1，25(OH)2D3存在的條件下，維生素K2增強了骨鈣素mRNA的基因表達，而在維生素K2單獨作用下，對其mRNA的表達沒有影響。維生素K2對骨鈣素基因表達的影響可能與其對mRNA的穩定作用有關，在成骨細胞的細胞核中已經發現了一種與維生素K2特異結合蛋白，這種蛋白只結合維生素K1和K2，不結合維生素K3和其它脂溶性維生素。

維生素D和維生素K都對骨鈣素的生物合成有促進作用，并且它們在對骨鈣素的影響方面可能存在相互作用。骨鈣素是依賴維生素D和維生素K的，它們之間在成骨細胞活性和骨重建方面具有相互關系。在對經絕后婦女椎骨治療方面，維生素K2和維生素D3的聯合治療使椎骨骨量增加，骨代謝指標如血清中骨鈣素含量也有提高，顯示了對骨形成和骨重建活性的刺激作用。Szulc等（1993）研究報道，在高齡女性中，羧化不全骨鈣素含量的增加不僅反映了維生素K的缺乏，而且顯示出了維生素D的缺乏狀態。同時指出，血清中25-(OH)-D3與羧化不全骨鈣素的濃度呈負相關。而Takahashi等（2001）報道，維生素D不影響骨鈣素的羧化狀態。大量研究指出，維生素K不足使羧化不全骨鈣素的濃度升高，那么，通過添加維生素D是否可以減少羧化不全骨鈣素的濃度，維生素K與維生素D對骨鈣素的相互作用關系還需進一步研究。

3 維生素A與骨鈣素

維生素A對動物骨骼發育產生影響的作用機理尚不清楚。方麗慧等（2008）闡述了過量維生素A通過改變與鈣磷代謝有關的激素類物質的分泌影響骨骼代謝和過量維生素A通過視黃酸（RA）影響骨骼代謝的可能機制。與鈣磷代謝相關的激素主要有活性維生素D、甲狀旁腺素、降鈣素和骨鈣素等，骨鈣素作為其中的一種激素，在動物的骨骼代謝中發揮著重要作用。一些研究結果表明，維生素A對骨鈣素有影響作用。陳彥君等（2007）研究報道，過量維生素A水平引起肉仔雞血清骨鈣素含量顯著降低。Kirimoto等（2005）研究結果表明，視黃酸對骨鈣素mRNA的表達和骨骼礦化產生不利影響。相似地，在視黃酸短期的誘導作用下，小鼠血清骨鈣素的含量顯著的下降。而視黃酸是維生素A的中間代謝產物，成骨細胞和破骨細胞上都有視黃酸受體。維生素A可能通過視黃酸影響了與鈣磷代謝相關的激素如骨鈣素水平，進一步影響了動物骨骼發育。另一方面，過量維生素A對動物體內骨鈣素的影響可能與維生素A與維生素D或維生素K的相互關系有關。很多研究推測，過量的維生素A可能在消化物到達吸收部位前，部分損壞維生素D和維生素K分子或在小腸粘膜處與其競爭吸收和運輸部位，影響它們的吸收。Cynthia等（1999）的研究結果顯示，維生素A在鼠的腸和骨中對維生素D有拮抗作用。同樣維生素A可拮抗維生素K的合成和吸收利用。夏兆飛等（1997）的實驗結果得出，大劑量維生素A顯著抑制骨鈣素的合成,致使脛骨礦化不全，骨密度降低。解釋為大劑量維生素A進入機體,抑制腸內細菌合成維生素K，繼發維生素K缺乏,使骨鈣素合成受阻,從而導致血清中骨鈣素水平降低。當機體缺乏維生素D和維生素K時會影響骨鈣素的生物合成。不過，關于維生素A對骨鈣素的影響及其影響機理的研究報道很少，還需進一步探討。

4 維生素E與骨鈣素

一般認為，維生素E在動物生殖機能、抗氧化作用和提高機體免疫力等方面起著十分重要的作用。但維生素E也對動物骨骼發育有重要影響。有研究報道，維生素E保護軟骨細胞免遭脂質過氧化反應，維持骨的正常生長與重建。維生素E對骨骼的健康作用可能是其對細胞內的防御機制，保護成骨細胞免遭自由基的損害。不僅如此，維生素E在對動物骨骼代謝方面可能與其它脂溶性維生素之間存在相互作用。Sergeev等（1990）的研究結果顯示，維生素E缺乏的大鼠甲狀旁腺激素的濃度顯著降低，同時體外試驗結果指出，維生素E缺乏引起維生素D濃度下降，導致鈣磷代謝紊亂，引起骨骼發育不良。高水平維生素E可預防維生素A過量所產生的毒害作用。已證明大劑量維生素E抑制維生素K的腸道吸收,影響維生素K的功能。但關于維生素E對骨鈣素的影響研究報道極少，Arjmandi等（2002）研究指出，高劑量維生素E顯著地改善了老年雄性鼠骨骼質量和基質蛋白，骨鈣素mRNA的轉錄也隨之增加，但是對青年鼠沒有影響。關于維生素E對骨鈣素的影響及機理還需進一步探討。

5 結語

維生素A、D、E和K可能在不同水平和不同程度對骨鈣素的表達產生影響，并且它們之間在對動物骨骼代謝方面和骨鈣素的生物合成方面可能存在相互作用。在實際動物生產中，對于骨鈣素含量異常引起的骨骼代謝紊亂，營養性的脂溶性維生素A、D、E、K的不足或過量可能是引發因素之一，因此進一步研究這些維生素與骨鈣素濃度及鈣磷代謝之間的相互關系，對科學預防骨骼代謝的異常，保障動物的健康發育具有重要的理論意義與實際價值。