維生素D3（Vitamin D3），又名膽鈣化醇，是維生素D的一種甾體衍生分子，是環戊烷多氫菲類化合物。作為一種自然存在的脂溶性維生素，維生素D3是維生素D中生物代謝率最高的一種活性形式，屬于類固醇激素，在人體內包括小腸、牙齒、卵巢組織等30多種細胞以及組織器官內都有維生素D3受體（VDR）的表達。維生素D3化學名為(5Z,7E)-(3S)-9,10-開環膽甾-5,7,10(19)-三烯-3β-醇，是無色針狀結晶或白色結晶性粉末，無臭，分子式為C??H??O。維生素D3的計量單位有兩種，即重量單位與國際單位。1微克D3相當于40國際單位；或1國際單位維生素D3相當于0.025微克膽鈣化醇。維生素D3是脂溶性的，不溶于水，只能溶解在脂肪或脂肪溶劑中，在中性及堿性溶液中能耐高溫和氧化。據實驗，在130度條件下加熱90分鐘，其生理流行性仍不被破壞，但在酸性條件下則逐漸分解破壞。維生素D3主要是由人體自身合成的，人體的皮膚含有一種膽固醇，經陽光照射后，就變成了維生素D3。維生素D3具有獨特的生理性能，如抗氧化作用、調控糖脂代謝的作用以及增強免疫的作用等，因此該物質在醫療、畜牧養殖等行業均有廣泛應用。
研究歷史
18世紀20年代，人們發現魚肝油能夠對佝僂病起到治療作用。在同一年間，一個專門對小兒佝僂病進行研究的波蘭醫學家表明：在空氣較清新的農村，人們患上佝僂病的幾率更少，這也暗示著人們曬太陽也可以對佝僂病產生治療效果。但直至數十年后，人類才成功地在魚肝油上將維生素D3分離。1919年，英國醫生、生理學家愛德華·梅蘭比（Edward Mellanhy）等人發現，患有佝僂病的狗在喂食魚肝油后，癥狀逐漸減輕甚至治愈，但此時并沒有研究出是哪種維生素成分起了作用。1922年，美國公共衛生學博士麥科勒姆（McCollum）最早證實了維生素D和骨形成的關系，并將該物質命名為"維生素D"。到了1928年，維生素D3的化學結構由阿道夫·溫道斯得到了確認，并在1936年被首次合成。在此之后，維生素D3迅速在臨床上展開廣泛應用，自此，佝僂病的發病率也逐漸降低。
生理作用
維生素D3的代謝作用
在動物體中，維生素D3主要通過三種細胞色素P450羥化酶進行代謝激活以及降解。這三種酶分別是25-羥化酶、1α-羥化酶和24-羥化酶。維生素D3進入血液之后，血漿中存在的維生素D3結合蛋白將會把維生素D3運送至肝臟部位，由25-羥化酶進行轉化，得到25-(OH)-D?，然后再次由結合蛋白轉運至腎臟，經過1α-羥化酶進行第二次羥基化，形成活性維生素D3。最后，24-羥化酶發生作用，將活性維生素D3和過量的25-(OH)-D?代謝為羥化產物，排出體外。
抗氧化作用
氧化應激是指活性氧（ROS）的產生以及清除失衡。維生素D3能夠對于氧化應激標志物以及炎癥因子的濃度進行下調，發揮非常重要的作用。一旦缺乏維生素D3，則會導致細胞發生異常活化。
骨內作用
骨重建是指由破骨細胞首先對舊骨進行吸收，緊接著成骨細胞形成等量新骨對舊骨進行取代的骨轉換的過程。一旦骨吸收增加但骨形成減少時，就可能發生骨質疏松癥。而在骨形成的過程中，維生素D3能夠促進小腸粘膜細胞對于鈣結合蛋白的合成，使得小腸粘膜增加對鈣、磷的吸收，還能夠活化和抑制相關聯的轉錄因子，從而起到促進成骨細胞增殖、刺激其活性、促進骨基質形成的作用。維生素D3還能扮演骨基質蛋白基因轉錄調節因子的角色，起到調節Ⅰ型膠原蛋白以及骨鈣素等物質的合成的作用。
骨外作用
維生素D3能夠作用在骨外的皮膚組織、骨骼肌、神經組織、生殖器官等部位，如：改善骨骼肌細胞的代謝、調節免疫細胞的增殖、分化以及細胞因子的分泌、保護心血管系統等作用，在人體內起到至關重要的作用。
糖脂代謝調控作用
維生素D3能夠影響脂肪以及糖類的代謝。有關報道根據糖化血紅蛋白以及Ⅱ型糖尿病患者的維生素D3狀態呈現負相關，推測維生素D3的水平可能在血糖控制中起到一定的作用。研究表明，維生素D3能夠通過刺激胰島素受體基因來對胰島素進行調控，并且對胰島素的敏感性進行增強。而維生素D3的缺乏則會導致胰島素受體基因表達以及胰島素分泌缺乏，因此對于糖脂代謝調控起到重要作用。
影響免疫功能作用
先天免疫是生物體對感染進行抵抗的第一道防線。維生素D3能夠增強巨噬細胞、樹突狀細胞以及活化T細胞等免疫細胞的趨化性、抗菌肽的表達以及巨噬細胞的分化，從而對先天免疫反應進行激活，并且能夠對炎癥進行減輕。
來源分布
維生素D3的來源
動物皮膚是維生素D3形成的來源之一。對人體而言，維生素D3有兩種來源，其中的一種是直接通過對于動物源的食用而獲得，另一種則是皮膚自身產生。皮膚中含有的7-脫氫膽固醇能夠在紫外線照射時進行轉化，并且可以通過血液進行運輸，運輸到肝臟后，在含有細胞色素P450氧化酶（CYP450）的線粒體中，經過25-羥化酶（CYP2R1）的催化，進行25-羥基化，合成25-(OH)-D?。接著，該物質和由肝臟實質細胞合成的維生素D3的結合蛋白進行合并，并轉移到腎臟，由近端小管上皮細胞的線粒體中含有的1α-羥化酶（CYP27B1）進行催化轉化，合成具有活性的1α，25-(OH)?-D?。在動物體內，維生素D3主要就是通過1α，25-(OH)?-D?發揮生理功能的。
維生素D3的分布情況
在人體內，大約一半的維生素D都是以維生素D3的形式存在的。另外一種主要的存在形式就是25-(OH)-D?，占全部維生素D的20%。但在血漿中，25-(OH)-D?的代謝產物比重更大。機體內，肝臟、腎臟以及脂肪都是維生素D儲存的主要部位，而其具體的分布情況和供給的方法以及劑量有關。如果對于維生素D3進行大劑量的口服或者直接進行注射，則維生素D3主要在動物的腎臟以及肝臟中大量存在；只進行小劑量給予、體內缺乏維生素D3時，則維生素D3在脂肪中含量最高，腎臟其次。
理化性質
物理性質
維生素D是脂溶性維生素，是結構類似的固醇類衍生物的總稱，一般情況下，包含常見的兩種能夠抵抗佝僂病的物質：即可以從植物中獲取的維生素D2以及可以從動物中獲取的維生素D3。其中，維生素D2是紫外線照射植物中的麥角固醇產生，在自然界存在較少。維生素D3在通常情況下是無色針狀結晶或白色結晶性粉末，無臭無味，屬于脂溶性分子，不溶于水，但極易溶于丙酮、乙醇、乙醚以及三氯甲烷，在溶液中一般呈現非離子型。
維生素D3的結構在1936年被德國的溫道斯確定。實質上，維生素D3的結構是一種膽骨化醇，如摘要圖所示。
化學性質
維生素D3作為一種環戊烷多氫菲類化合物，由于結構中共軛雙鍵以及手性碳原子的存在，導致了其化學性質的不穩定性，在不同的環境中可能轉化為不同的物質。溫度升降的情況下，維生素D3和前維生素D3可能發生互變。在酸性條件下，維生素D3能夠迅速發生降解，產生異速甾醇，而在中性以及堿性環境中，維生素D3的穩定性相對較好。維生素D3還易氧化成為反式維生素D3。在光照的條件下，維生素D3的前體物質：前維生素D3也可以發生轉化，能夠發生順旋閉環，從而轉化為光甾醇，如果結構中的雙鍵構型發生反轉，則會形成另一種甾醇（速甾醇）。由于其化學性質活潑、穩定性差，維生素D3需要在充氮、遮光、密封且陰冷的儲存條件下進行保存。
制備方法
維生素D3的合成方法眾多，由化學合成法、光化學合成法、生物化學合成法等。但化學合成法不僅步驟繁瑣，部分方法如溴化/脫溴化氫法等還需要利用鹵族元素試劑，且反應過程會生成外消旋體，難以分離，導致總產量不高。因此化學合成法正在逐步被其他新型方法進行取代。
傳統化學合成法
化學合成法是使用最廣泛的一類合成維生素D3的方法。通過化學合成法，能夠得到維生素D3的前體（7-脫氫膽固醇），然后再進行光照即可得到維生素D3。合成維生素D3的化學合成法有以下三類，其共同點在于都可以利用膽固醇作為原料。
溴化/脫溴化氫法
首先，在膽固醇烯丙位連接一個溴原子，然后進行脫溴化氫。脫溴化氫時，一般會形成兩種同分異構體，其中一種是所需的目標產物，即維生素D3的前體。因此必須選擇合適的催化劑，得到盡可能多的維生素D3的前體。常用的催化劑有苯硫醇/三乙胺/過氧酸、堿金屬氟化物/堿土金屬化物等。在合成目標產物之后，對于同分異構體的分離也是需要考慮的一個問題。
氧化還原消除法
首先，對于膽固醇原料進行化，再將得到的酯化產物氧化生成7-膽固醇酯，然后進行消除反應即可得到目標產物。
其他化學合成法
除膽固醇外，利用6-烯膽甾烽醇作為原料，再利用4-苯基-1,2,4-三唑啉-3,5-二酮保護6位置的雙鍵，再利用碳酸氫鈉以及Jone's試劑氧化、硼氫化鈉還原，然后進一步水解也能夠得到目標產物。
光化學合成法
光化學合成法的原理是維生素D3的紫外線照射合成。利用230-300 nm波長范圍的紫外線對維生素D3的前體物質進行照射，就可以得到維生素D3。這一方法已經能夠用于大規模的工業生產，并且收益良好。找到合適的濃度、溫度、時間、反應介質、波長，就可能得到理想的收率。
生物化學合成法
生物化學合成法的原理基于膽固醇生物全合成過程。示意圖如下：
動物細胞培養
動物本身即可通過紫外線照射合成維生素D3，也能夠在動物體的膽固醇的生物合成過程中，添加7-脫氫膽固醇還原酶的抑制劑，使得合成過程在得到7-脫氫膽固醇后無法繼續進行，然后再進行維生素D3的轉化。
膽固醇為底物
蛻皮激素生物合成的第一步酶反應是膽固醇通過7，8-脫氫化反應生成維生素D3前體。還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）存在時，反應受到微粒體的抑制。這樣的反應通常發生在節肢動物門或者無脊椎動物中以及植物中。
7-烯膽甾烷醇為底物
以7-烯膽甾醇為底物進行合成，產物只有7-脫氫膽固醇以及膽固醇。因此，合理控制反應條件，相比其他反應更容易得到純凈的目標產物。首先利用7-烯膽甾烷醇經過還原酶的作用，得到7-脫氫膽固醇，然后再在NADPH的存在下，利用7-脫氫膽固醇還原酶進行還原，得到膽固醇。其中，對于第一步來說，還原氧氣是必要條件，而第二步中的必要條件是NADPH。因此，如果不添加NADPH，則可以只生成7-脫氫膽固醇（目標產物）。該反應只需要一步酶反應，操作簡單。
生物技術合成法是一種新興的、有發展前景的合成方法，受到越來越多的科學家的關注。
微生物發酵法
利用微生物發酵也能產生維生素D3。微生物發酵法主要利用的菌株包括紅球菌屬、鏈霉菌屬、分枝桿菌屬以及假諾卡氏菌等。這些菌種中含有維生素D3羥化酶，能夠對維生素D3的兩步羥基化反應進行催化，從而得到維生素D3。轉化率問題是發酵法需要考慮的問題之一。
應用領域
醫療行業
骨組織治療
維生素D3能夠對骨組織方面的疾病進行治療。骨鈣化不良在兒童時期表現為骨軟化或者佝僂病，而成人期表現為骨質疏松癥和骨軟化。維生素D的缺乏就會導致以上的病癥的出現。研究表明，低維生素D3血癥是骨質疏松、骨折的危險因素，維生素D3的補充對于高危人群骨丟失以及跌倒骨折的發生的預防極為重要。不僅如此，維生素D缺乏還會導致肌無力現象的出現，對維生素D進行補充后該現象可以得到修正。
除以上常見的骨組織疾病以外，維生素D3對于強直性脊柱炎、股骨頭壞死的產生和治療也有一定的影響。強直性脊柱炎是一種全身性、慢性炎性的疾病。而維生素D能夠通過對于前列腺素和環氧合酶途徑的抑制等對于炎癥反應進行抑制。研究表明，維生素D3的缺乏可能加重血管內皮細胞的炎癥負擔。股骨頭壞死方面，維生素D3以及鈣劑的合理攝入能夠有效預防和治療股骨頭環伺，減少股骨頭壞死的風險。
糖尿病預防
維生素D3具有調節糖脂代謝的作用。盡管還沒有研究證實維生素D能否作為糖尿病預防或者治療的臨床藥物，但對于維生素D的補充能夠有助于對Ⅰ型糖尿病的預防。研究表明，維生素D能夠對胰島功能進行調控，主要表現在能夠對胰島β細胞的凋亡進行抑制、改善胰島β細胞的分泌功能。此外，維生素D還能起到調節基因表達、細胞信號轉導、神經遞質等作用，從而起到對糖尿病的預防作用。
生殖器官疾病治療
維生素D3能夠對生殖疾病起到一定的作用。研究表明，多囊卵巢綜合癥的發展同體內維生素D3的含量有一定的關聯。部分患者通過對維生素D的服用，能夠緩解內分泌代謝紊亂，甚至能夠提高生育能力。但目前對于最佳治療效果的維生素D含量還沒有定論，仍需要更加權威的證據。
畜牧養殖行業
維生素D3在動物生長發育方面具有重要的作用，能夠對鈣磷代謝進行調控，影響動物生長性能、骨骼發育。
在豬飼料中加入維生素D3，能夠使得豬體內維生素D達到充足水平，改善鈣、磷的沉積，降低軟骨病等骨骼病的發病率。此外，維生素D3的添加，能夠減少糞便排泄鈣、磷，減少環境污染。
對于雞、鴨等家禽而言，幼崽缺乏維生素D會導致生長緩慢、骨骼畸形甚至變脆變軟等問題，也會導致產蛋量下降，影響產蛋性能。在日糧中添加維生素D3，能夠有效提高產蛋率，改善雞蛋品質，降低蛋料比。對于肉雞、肉鴨而言，維生素D3能夠改善仔雞生長性能，增加胸肉占比，增加體重。
諸如羊、奶牛等反芻亞目的飼糧中也可以加入適量的維生素D3。添加維生素D3能夠有效增強骨沉積，縮短泌乳早期的鈣負平衡持續時長。實驗表明，在肉牛的飼糧中加入維生素D3，能夠有效增加牛肉的嫩度，縮短牛肉的老化時間，提高牛肉生產的經濟效益。而在綿羊的飼料中加入維生素D3，則能夠提高綿羊的抗氧化能力，降低機體氧化應激，甚至能夠提高機體的免疫力。
營養食品行業
由于維生素D3能夠對多種疾病進行預防和治療，因此維生素D3也常作為營養劑在食品中進行添加。2014年，美國FDA批準維生素D3作為營養強化劑加入代餐飲料，但仍有用量的限制。
其他行業
除了上面提到的幾個方面，維生素D3在其他領域也有很廣泛的應用，比如醫療美容、化妝品等，并且在科研人員不斷研究的過程中，維生素D3的應用領域還在不斷進行著擴展，由于維生素D3是人體必要的微量元素，因此該物質在與人體相關的方面仍大有可為。
安全事宜
維生素D3是體內存在的物質，對人體具有許多好處，但若過量攝取，超出在體液中濃度的正常水平，則會引發維生素D中毒。
健康影響
維生素D3過量
醫學上通常把血清25OHD＞350.0 nmol/L定義為維生素D3過量。而診斷維生素D中毒的必要條件則是高血鈣，但目前對于維生素D3中毒導致高鈣血癥的血清25OHD的臨界值，還沒有統一的意見。維生素D中毒早期或者輕者可能出現低燒、厭食、惡心、煩躁、腹瀉，而重者或晚期還可能出現多尿、昏迷、少尿、脫水等高鈣血癥的癥狀。更嚴重者可能會出現由于高鈣血癥導致的軟組織鈣沉積以及腎衰竭致死。
維生素D3缺乏
除了維生素D3過量導致的中毒以外，維生素D3缺乏也會導致對應癥狀。維生素D的缺乏還沒有一個明確的定義，醫學界大多數專家和醫生認為，人血清中25-羥基維生素D含量在30~50 ng/mL為最佳，20~30 ng/mL定義為不足，10~20 ng/mL即為缺乏，而小于10 ng/mL則為嚴重缺乏。長期缺乏維生素D，則可能導致許多疾病，尤其是由于維生素D與骨骼生長有關，所以骨骼病的患病幾率更高。常見的由于維生素D缺乏而出現的病癥有如骨質疏松癥、骨折、癌癥、肌無力、帕金森病、肥胖等。
缺乏治療
由于維生素D3的缺乏會導致健康受到影響，因此首先可以進行維生素D的水平檢測，對缺乏癥進行篩查，防患于未然。為了預防缺乏癥，可以進行光照時間的增加。維生素D3以海肝含量最為豐富，如每100克鱈魚、比目魚及劍魚肝中分別含維生素D3200~750微克、500~10000微克、25000微克。其他如鯡魚、三文魚、沙丁魚及鯧鯨等含有少量；禽畜肝臟、蛋類和奶類也是含有少量，每100克含量在100微克以下。此外，通過食物或膳食補充劑也可以增加維生素D的攝入量。若嚴重不足，則需要根據醫囑進行治療。
預防措施
一般情況下，維生素D的每日補充量大于5萬IU就可能將25OHD升高到150 μg/L，并且導致中毒癥狀的產生。因此在防治維生素D的缺乏的同時也應該考慮如何有效避免中毒。尤其是在進行短期大劑量維生素D3攝入以治療嚴重維生素D缺乏的情況下，如何安全有效地進行維生素D補充至關重要。研究表明，針對嚴重維生素D缺乏，每日口服6000 IU維生素D3，進行連續八周治療即可。在臨床治療過程中，對維生素D的補充仍應該警惕過量或中毒的可能性，對患者的血鈣、尿鈣以及血清25OHD變化進行實時監測。
急救措施
一旦發現維生素D中毒，首先應該立即停止服用維生素D，并對高血鈣進行治療，限制每日鈣的攝入量。此外，可以應用強的松等糖皮質激素使得腸道對鈣的吸收進行抑制。維生素D中毒時，大量進行補液、利尿是非常重要的，也可以通過導瀉將多余的鈣和維生素D進行排出。洗胃只能排出含有維生素D的食物，而灌腸也只能將放射性腸炎下段的內容物進行排除，因此成功導瀉能夠使得殘留的維生素D被排出，效果更好、更快。臨床案例上，除了極個別嚴重患者有不可逆轉的腎損傷以外，維生素D中毒的預后結果大多良好。
參考資料 >
Vitamin D3.pubchem.ncbi.nlm.nih.2023-05-08
[科普中國]-維生素D3.科普中國網.2025-07-13