脂溶性维生素A、D、E、K对动物骨钙素影响的研究进展

解新霞 闫素梅

大量研究表明，脂溶性维生素A、D、E、K对动物的骨骼发育有明显的影响。Aburto等（1998）研究报道，过量维生素A显著降低了骨灰分和增加了软骨病的发生率。过量添加维生素D增加了腿病的发生率，尤其是软骨发育不良。最近的研究结果显示，维生素E可以改善骨结构、增强骨骼发育，在健康雄性鼠的骨合成代谢中发挥作用。Shiraki等（2000）的研究指出，维生素K2减少了椎骨和髋骨骨折的发生并且改善了骨质量。血液中的骨钙素水平被广泛地认为是衡量骨形成和骨重建动态过程的一个重要指标，在一定程度上可以反映动物的骨骼代谢状况。鉴此，本文就脂溶性维生素对骨钙素的影响作一综述，以便为科学地添加脂溶性维生素及预防动物骨骼代谢疾病的发生提供参考依据。

1 骨钙素的结构特点及功能

骨钙素（osteocalin）又称骨γ-羧基谷氨酸蛋白或骨依赖维生素K蛋白，是由成骨细胞产生和分泌的一种含量最丰富的非胶原蛋白，约占骨非胶原蛋白的15%～20%，占骨总蛋白的1%～2%，是反映成骨细胞活性特异而敏感的指标。不同种属间的骨钙素存在很大的同源性，人骨钙素是由49个氨基酸组成，其分子在17，21，24位置上含有3个羧化谷氨酸残基。γ-羧基谷氨酸残基是在翻译后由依赖维生素K和CO2的酶复合物催化合成，这种结构使骨钙素的构象发生了改变，稳定了骨钙素的α-螺旋部分，使其对钙和羟磷灰石有更大的亲和力，从而促进骨骼矿化。骨钙素主要是在肝脏和肾脏被水解，最后由肾脏清除。

目前，关于骨钙素的确切生理功能还不清楚。一般认为，骨钙素的功能主要与骨形成及转化有关，维持骨的正常矿化速率，抑制异常的羟磷灰石结晶的形成,抑制生长软骨矿化的速度。骨钙素含量的变化在一定程度上可以反映动物的骨骼代谢状况，成骨细胞合成的骨钙素大约20%释放入血，血清中骨钙素的检测用来反映骨中骨钙素的状态，目前已被广泛应用。

2 维生素D、K与骨钙素

维生素D对动物的骨骼发育至关重要，对骨钙素的生物合成具有调节作用，但其调节作用与维生素D的浓度有关。研究表明，维生素D缺乏或过量对骨的发育都有负面影响，都引起血清骨钙素含量降低。王华等（2002）利用建立的维生素D缺乏的幼鼠动物模型追踪其长骨的生长发育，结果发现，实验组大鼠长骨的生长发育明显落后于正常大鼠，血清骨钙素水平随实验期延长呈进行性下降。邓益锋等（2001）研究结果表明，维生素D3过量（1000 IU/kg）时导致蛋鸡骨密度显著降低，并且随着日粮维生素D3水平增高，血浆骨钙素含量有降低趋势。1,25-(OH)2D3是维生素D经肝脏、肾脏代谢后的活性形式，维生素D的活性代谢物还包括25-羟基维生素D3[25-(OH)D3]、24,25-二羟基维生素D3[24,25-(OH)2D3]，其中生物活性最强的代谢物是 1，25-(OH)2D3。Price 等（1985）报道了由成骨细胞合成的骨钙素受1，25(OH)2D3的调节，但不是完全依赖于 1，25(OH)2D3。Jurutka 等（2002）报道了维生素D通过与维生素D受体结合形成复合物，该复合物再与视黄醇类X受体形成异二聚体，后者与骨钙素基因启动子中的维生素D反应元件结合，从而上调骨钙素的基因表达。1，25(OH)2D3作为主要的骨骼钙磷代谢调节激素，在体外试验中可增强骨钙素的合成。可见，骨钙素的合成与维生素D的浓度有关。

研究表明，维生素K参与骨钙素的羧化，进而对骨骼代谢有促进效果。维生素K作为羧化酶的辅助因子，在骨钙素的羧化反应中使无活性的谷氨酸残基转变为有活性的γ-羧基谷氨酸，增加骨钙素的羧化程度。维生素K有三种形式：在植物中为叶绿醌（Phylloquinone,维生素K1）；在动物中分离出维生素K2(Menaquinone)，许多细菌产物属于这一类型；维生素K3（Menadione）是人工合成产物。在人的血清中，维生素K1的浓度在三种维生素K中最高。未羧化骨钙素是反映老年女性髋部骨折的生化指标，同时显示出低的血清维生素K1浓度。在体外成骨细胞培养中，维生素K2可增强细胞外基质中骨钙素的蓄积。在关于不同日粮维生素K3水平对肉鸡骨骼质量影响的机理研究中得出，维生素K3促进了骨钙素的羧化，减少了血清中未羧化骨钙素的浓度，从而增强了骨钙素与羟磷灰石的结合能力，促进了骨骼的矿化并改善了骨骼的质量。血清中骨钙素的羧化程度是维生素K营养状态评定的一个新的敏感指标。赵新华等(1999)的实验结果得出，补充维生素K的去卵巢大鼠血清中的谷氨酸γ-羧基化骨钙素水平升高，且股骨和腰椎骨密度明显增加。

一般认为，维生素K影响骨骼代谢是在维生素K依赖性蛋白的翻译后修饰水平以辅酶的形式发挥作用，即维生素K作为羧化酶的辅助因子通过羧化反应使无活性的谷氨酸残基转变为有活性的γ-羧基谷氨酸，激活后的分子与钙离子有很强的亲和力并且与羟磷灰石一起沉积在骨组织中，使骨矿化。也有研究表明，维生素K对骨骼发育的影响不仅通过羧化作用，还可能是通过一条新的信号通路，即维生素K通过激活转录因子SXR，从而上调其靶基因细胞外基质TSK、MATN2的表达，增强了胶原蛋白的蓄积作用，进而改善了骨质量。维生素K影响骨骼代谢的新机制为骨质疏松症、骨折等骨病的治疗提供了新的应用前景。关于维生素K对骨钙素基因表达的影响研究报道极少，Koshihara等（1996）在体外对人骨膜成骨细胞培养的研究中发现，在1，25(OH)2D3存在的条件下，维生素K2增强了骨钙素mRNA的基因表达，而在维生素K2单独作用下，对其mRNA的表达没有影响。维生素K2对骨钙素基因表达的影响可能与其对mRNA的稳定作用有关，在成骨细胞的细胞核中已经发现了一种与维生素K2特异结合蛋白，这种蛋白只结合维生素K1和K2，不结合维生素K3和其它脂溶性维生素。

维生素D和维生素K都对骨钙素的生物合成有促进作用，并且它们在对骨钙素的影响方面可能存在相互作用。骨钙素是依赖维生素D和维生素K的，它们之间在成骨细胞活性和骨重建方面具有相互关系。在对经绝后妇女椎骨治疗方面，维生素K2和维生素D3的联合治疗使椎骨骨量增加，骨代谢指标如血清中骨钙素含量也有提高，显示了对骨形成和骨重建活性的刺激作用。Szulc等（1993）研究报道，在高龄女性中，羧化不全骨钙素含量的增加不仅反映了维生素K的缺乏，而且显示出了维生素D的缺乏状态。同时指出，血清中25-(OH)-D3与羧化不全骨钙素的浓度呈负相关。而Takahashi等（2001）报道，维生素D不影响骨钙素的羧化状态。大量研究指出，维生素K不足使羧化不全骨钙素的浓度升高，那么，通过添加维生素D是否可以减少羧化不全骨钙素的浓度，维生素K与维生素D对骨钙素的相互作用关系还需进一步研究。

3 维生素A与骨钙素

维生素A对动物骨骼发育产生影响的作用机理尚不清楚。方丽慧等（2008）阐述了过量维生素A通过改变与钙磷代谢有关的激素类物质的分泌影响骨骼代谢和过量维生素A通过视黄酸（RA）影响骨骼代谢的可能机制。与钙磷代谢相关的激素主要有活性维生素D、甲状旁腺素、降钙素和骨钙素等，骨钙素作为其中的一种激素，在动物的骨骼代谢中发挥着重要作用。一些研究结果表明，维生素A对骨钙素有影响作用。陈彦君等（2007）研究报道，过量维生素A水平引起肉仔鸡血清骨钙素含量显著降低。Kirimoto等（2005）研究结果表明，视黄酸对骨钙素mRNA的表达和骨骼矿化产生不利影响。相似地，在视黄酸短期的诱导作用下，小鼠血清骨钙素的含量显著的下降。而视黄酸是维生素A的中间代谢产物，成骨细胞和破骨细胞上都有视黄酸受体。维生素A可能通过视黄酸影响了与钙磷代谢相关的激素如骨钙素水平，进一步影响了动物骨骼发育。另一方面，过量维生素A对动物体内骨钙素的影响可能与维生素A与维生素D或维生素K的相互关系有关。很多研究推测，过量的维生素A可能在消化物到达吸收部位前，部分损坏维生素D和维生素K分子或在小肠粘膜处与其竞争吸收和运输部位，影响它们的吸收。Cynthia等（1999）的研究结果显示，维生素A在鼠的肠和骨中对维生素D有拮抗作用。同样维生素A可拮抗维生素K的合成和吸收利用。夏兆飞等（1997）的实验结果得出，大剂量维生素A显著抑制骨钙素的合成,致使胫骨矿化不全，骨密度降低。解释为大剂量维生素A进入机体,抑制肠内细菌合成维生素K，继发维生素K缺乏,使骨钙素合成受阻,从而导致血清中骨钙素水平降低。当机体缺乏维生素D和维生素K时会影响骨钙素的生物合成。不过，关于维生素A对骨钙素的影响及其影响机理的研究报道很少，还需进一步探讨。

4 维生素E与骨钙素

一般认为，维生素E在动物生殖机能、抗氧化作用和提高机体免疫力等方面起着十分重要的作用。但维生素E也对动物骨骼发育有重要影响。有研究报道，维生素E保护软骨细胞免遭脂质过氧化反应，维持骨的正常生长与重建。维生素E对骨骼的健康作用可能是其对细胞内的防御机制，保护成骨细胞免遭自由基的损害。不仅如此，维生素E在对动物骨骼代谢方面可能与其它脂溶性维生素之间存在相互作用。Sergeev等（1990）的研究结果显示，维生素E缺乏的大鼠甲状旁腺激素的浓度显著降低，同时体外试验结果指出，维生素E缺乏引起维生素D浓度下降，导致钙磷代谢紊乱，引起骨骼发育不良。高水平维生素E可预防维生素A过量所产生的毒害作用。已证明大剂量维生素E抑制维生素K的肠道吸收,影响维生素K的功能。但关于维生素E对骨钙素的影响研究报道极少，Arjmandi等（2002）研究指出，高剂量维生素E显著地改善了老年雄性鼠骨骼质量和基质蛋白，骨钙素mRNA的转录也随之增加，但是对青年鼠没有影响。关于维生素E对骨钙素的影响及机理还需进一步探讨。

5 结语

维生素A、D、E和K可能在不同水平和不同程度对骨钙素的表达产生影响，并且它们之间在对动物骨骼代谢方面和骨钙素的生物合成方面可能存在相互作用。在实际动物生产中，对于骨钙素含量异常引起的骨骼代谢紊乱，营养性的脂溶性维生素A、D、E、K的不足或过量可能是引发因素之一，因此进一步研究这些维生素与骨钙素浓度及钙磷代谢之间的相互关系，对科学预防骨骼代谢的异常，保障动物的健康发育具有重要的理论意义与实际价值。