维生素D3（Vitamin D3），又名胆钙化醇，是维生素D的一种甾体衍生分子，是环戊烷多氢菲类化合物。作为一种自然存在的脂溶性维生素，维生素D3属于类固醇激素，在人体内包括小肠、牙齿、卵巢组织等30多种细胞以及组织器官内都有维生素D3受体（VDR）的表达。维生素D3化学名为(5Z,7E)-(3S)-9,10-开环胆甾-5,7,10(19)-三烯-3β-醇，是无色针状结晶或白色结晶性粉末，无臭，分子式为C₂₇H₄₄O。维生素D3是脂溶性分子，不溶于水，但极易溶于丙酮、乙醚、乙醇以及三氯甲烷。维生素D3的化学性质并不稳定，是一种对热、酸、氧以及光均敏感的化合物。维生素D3主要在动物的皮肤中，通常由7-脱氢胆固醇经过紫外线照射转化产生。维生素D3具有独特的生理性能，如抗氧化作用、调控糖脂代谢的作用以及增强免疫的作用等，因此该物质在医疗、畜牧养殖等行业均有广泛应用。

18世纪20年代，人们发现鱼肝油能够对佝偻病起到治疗作用。在同一年间，一个专门对小儿佝偻病进行研究的波兰医学家表明：在空气较清新的农村，人们患上佝偻病的几率更少，这也暗示着人们晒太阳也可以对佝偻病产生治疗效果。但直至数十年后，人类才成功地在鱼肝油上将维生素D3分离。1919年，英国医生、生理学家爱德华·梅兰比（Edward Mellanhy）等人发现，患有佝偻病的狗在喂食鱼肝油后，症状逐渐减轻甚至治愈，但此时并没有研究出是哪种维生素成分起了作用。1922年，美国公共卫生学博士麦科勒姆（McCollum）最早证实了维生素D和骨形成的关系，并将该物质命名为"维生素D"。到了1928年，维生素D3的化学结构由阿道夫·温道斯得到了确认，并在1936年被首次合成。在此之后，维生素D3迅速在临床上展开广泛应用，自此，佝偻病的发病率也逐渐降低。

在动物体中，维生素D3主要通过三种细胞色素P450羟化酶进行代谢激活以及降解。这三种酶分别是25-羟化酶、1α-羟化酶和24-羟化酶。维生素D3进入血液之后，血浆中存在的维生素D3结合蛋白将会把维生素D3运送至肝脏部位，由25-羟化酶进行转化，得到25-(OH)-D₃，然后再次由结合蛋白转运至肾脏，经过1α-羟化酶进行第二次羟基化，形成活性维生素D3。最后，24-羟化酶发生作用，将活性维生素D3和过量的25-(OH)-D₃代谢为羟化产物，排出体外。

氧化应激是指活性氧（ROS）的产生以及清除失衡。维生素D3能够对于氧化应激标志物以及炎症因子的浓度进行下调，发挥非常重要的作用。一旦缺乏维生素D3，则会导致细胞发生异常活化。

骨重建是指由破骨细胞首先对旧骨进行吸收，紧接着成骨细胞形成等量新骨对旧骨进行取代的骨转换的过程。一旦骨吸收增加但骨形成减少时，就可能发生骨质疏松症。而在骨形成的过程中，维生素D3能够促进小肠粘膜细胞对于钙结合蛋白的合成，使得小肠粘膜增加对钙、磷的吸收，还能够活化和抑制相关联的转录因子，从而起到促进成骨细胞增殖、刺激其活性、促进骨基质形成的作用。维生素D3还能扮演骨基质蛋白基因转录调节因子的角色，起到调节Ⅰ型胶原蛋白以及骨钙素等物质的合成的作用。

维生素D3能够作用在骨外的皮肤组织、骨骼肌、神经组织、生殖器官等部位，如：改善骨骼肌细胞的代谢、调节免疫细胞的增殖、分化以及细胞因子的分泌、保护心血管系统等作用，在人体内起到至关重要的作用。

维生素D3能够影响脂肪以及糖类的代谢。有关报道根据糖化血红蛋白以及Ⅱ型糖尿病患者的维生素D3状态呈现负相关，推测维生素D3的水平可能在血糖控制中起到一定的作用。研究表明，维生素D3能够通过刺激胰岛素受体基因来对胰岛素进行调控，并且对胰岛素的敏感性进行增强。而维生素D3的缺乏则会导致胰岛素受体基因表达以及胰岛素分泌缺乏，因此对于糖脂代谢调控起到重要作用。

先天免疫是生物体对感染进行抵抗的第一道防线。维生素D3能够增强巨噬细胞、树突状细胞以及活化T细胞等免疫细胞的趋化性、抗菌肽的表达以及巨噬细胞的分化，从而对先天免疫反应进行激活，并且能够对炎症进行减轻。

动物皮肤是维生素D3形成的来源之一。对人体而言，维生素D3有两种来源，其中的一种是直接通过对于动物源的食用而获得，另一种则是皮肤自身产生。皮肤中含有的7-脱氢胆固醇能够在紫外线照射时进行转化，并且可以通过血液进行运输，运输到肝脏后，在含有细胞色素P450氧化酶（CYP450）的线粒体中，经过25-羟化酶（CYP2R1）的催化，进行25-羟基化，合成25-(OH)-D₃。接着，该物质和由肝脏实质细胞合成的维生素D3的结合蛋白进行合并，并转移到肾脏，由近端小管上皮细胞的线粒体中含有的1α-羟化酶（CYP27B1）进行催化转化，合成具有活性的1α，25-(OH)₂-D₃。在动物体内，维生素D3主要就是通过1α，25-(OH)₂-D₃发挥生理功能的。

在人体内，大约一半的维生素D都是以维生素D3的形式存在的。另外一种主要的存在形式就是25-(OH)-D₃，占全部维生素D的20%。但在血浆中，25-(OH)-D₃的代谢产物比重更大。机体内，肝脏、肾脏以及脂肪都是维生素D储存的主要部位，而其具体的分布情况和供给的方法以及剂量有关。如果对于维生素D3进行大剂量的口服或者直接进行注射，则维生素D3主要在动物的肾脏以及肝脏中大量存在；只进行小剂量给予、体内缺乏维生素D3时，则维生素D3在脂肪中含量最高，肾脏其次。

维生素D是脂溶性维生素，是结构类似的固醇类衍生物的总称，一般情况下，包含常见的两种能够抵抗佝偻病的物质：即可以从植物中获取的维生素D2以及可以从动物中获取的维生素D3。维生素D3在通常情况下是无色针状结晶或白色结晶性粉末，无臭无味，属于脂溶性分子，不溶于水，但极易溶于丙酮、乙醇、乙醚以及三氯甲烷，在溶液中一般呈现非离子型。

维生素D3的结构在1936年被德国的温道斯确定。实质上，维生素D3的结构是一种胆骨化醇，如摘要图所示。

维生素D3作为一种环戊烷多氢菲类化合物，由于结构中共轭双键以及手性碳原子的存在，导致了其化学性质的不稳定性，在不同的环境中可能转化为不同的物质。温度升降的情况下，维生素D3和前维生素D3可能发生互变。在酸性条件下，维生素D3能够迅速发生降解，产生异速甾醇，而在中性以及碱性环境中，维生素D3的稳定性相对较好。维生素D3还易氧化成为反式维生素D3。在光照的条件下，维生素D3的前体物质：前维生素D3也可以发生转化，能够发生顺旋闭环，从而转化为光甾醇，如果结构中的双键构型发生反转，则会形成另一种甾醇（速甾醇）。由于其化学性质活泼、稳定性差，维生素D3需要在充氮、遮光、密封且阴冷的储存条件下进行保存。

维生素D3的合成方法众多，由化学合成法、光化学合成法、生物化学合成法等。但化学合成法不仅步骤繁琐，部分方法如溴化/脱溴化氢法等还需要利用卤族元素试剂，且反应过程会生成外消旋体，难以分离，导致总产量不高。因此化学合成法正在逐步被其他新型方法进行取代。

化学合成法是使用最广泛的一类合成维生素D3的方法。通过化学合成法，能够得到维生素D3的前体（7-脱氢胆固醇），然后再进行光照即可得到维生素D3。合成维生素D3的化学合成法有以下三类，其共同点在于都可以利用胆固醇作为原料。

首先，在胆固醇烯丙位连接一个溴原子，然后进行脱溴化氢。脱溴化氢时，一般会形成两种同分异构体，其中一种是所需的目标产物，即维生素D3的前体。因此必须选择合适的催化剂，得到尽可能多的维生素D3的前体。常用的催化剂有苯硫醇/三乙胺/过氧酸、碱金属氟化物/碱土金属化物等。在合成目标产物之后，对于同分异构体的分离也是需要考虑的一个问题。

首先，对于胆固醇原料进行化，再将得到的酯化产物氧化生成7-胆固醇酯，然后进行消除反应即可得到目标产物。

除胆固醇外，利用6-烯胆甾烽醇作为原料，再利用4-苯基-1,2,4-三唑啉-3,5-二酮保护6位置的双键，再利用碳酸氢钠以及Jone's试剂氧化、硼氢化钠还原，然后进一步水解也能够得到目标产物。

光化学合成法的原理是维生素D3的紫外线照射合成。利用230-300 nm波长范围的紫外线对维生素D3的前体物质进行照射，就可以得到维生素D3。这一方法已经能够用于大规模的工业生产，并且收益良好。找到合适的浓度、温度、时间、反应介质、波长，就可能得到理想的收率。

生物化学合成法的原理基于胆固醇生物全合成过程。示意图如下：

动物本身即可通过紫外线照射合成维生素D3，也能够在动物体的胆固醇的生物合成过程中，添加7-脱氢胆固醇还原酶的抑制剂，使得合成过程在得到7-脱氢胆固醇后无法继续进行，然后再进行维生素D3的转化。

蜕皮激素生物合成的第一步酶反应是胆固醇通过7，8-脱氢化反应生成维生素D3前体。还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）存在时，反应受到微粒体的抑制。这样的反应通常发生在节肢动物门或者无脊椎动物中以及植物中。

以7-烯胆甾醇为底物进行合成，产物只有7-脱氢胆固醇以及胆固醇。因此，合理控制反应条件，相比其他反应更容易得到纯净的目标产物。首先利用7-烯胆甾烷醇经过还原酶的作用，得到7-脱氢胆固醇，然后再在NADPH的存在下，利用7-脱氢胆固醇还原酶进行还原，得到胆固醇。其中，对于第一步来说，还原氧气是必要条件，而第二步中的必要条件是NADPH。因此，如果不添加NADPH，则可以只生成7-脱氢胆固醇（目标产物）。该反应只需要一步酶反应，操作简单。

生物技术合成法是一种新兴的、有发展前景的合成方法，受到越来越多的科学家的关注。

利用微生物发酵也能产生维生素D3。微生物发酵法主要利用的菌株包括红球菌属、链霉菌属、分枝杆菌属以及假诺卡氏菌等。这些菌种中含有维生素D3羟化酶，能够对维生素D3的两步羟基化反应进行催化，从而得到维生素D3。转化率问题是发酵法需要考虑的问题之一。

维生素D3能够对骨组织方面的疾病进行治疗。骨钙化不良在儿童时期表现为骨软化或者佝偻病，而成人期表现为骨质疏松症和骨软化。维生素D的缺乏就会导致以上的病症的出现。研究表明，低维生素D3血症是骨质疏松、骨折的危险因素，维生素D3的补充对于高危人群骨丢失以及跌倒骨折的发生的预防极为重要。不仅如此，维生素D缺乏还会导致肌无力现象的出现，对维生素D进行补充后该现象可以得到修正。

除以上常见的骨组织疾病以外，维生素D3对于强直性脊柱炎、股骨头坏死的产生和治疗也有一定的影响。强直性脊柱炎是一种全身性、慢性炎性的疾病。而维生素D能够通过对于前列腺素和环氧合酶途径的抑制等对于炎症反应进行抑制。研究表明，维生素D3的缺乏可能加重血管内皮细胞的炎症负担。股骨头坏死方面，维生素D3以及钙剂的合理摄入能够有效预防和治疗股骨头环伺，减少股骨头坏死的风险。

维生素D3具有调节糖脂代谢的作用。尽管还没有研究证实维生素D能否作为糖尿病预防或者治疗的临床药物，但对于维生素D的补充能够有助于对Ⅰ型糖尿病的预防。研究表明，维生素D能够对胰岛功能进行调控，主要表现在能够对胰岛β细胞的凋亡进行抑制、改善胰岛β细胞的分泌功能。此外，维生素D还能起到调节基因表达、细胞信号转导、神经递质等作用，从而起到对糖尿病的预防作用。

维生素D3能够对生殖疾病起到一定的作用。研究表明，多囊卵巢综合症的发展同体内维生素D3的含量有一定的关联。部分患者通过对维生素D的服用，能够缓解内分泌代谢紊乱，甚至能够提高生育能力。但目前对于最佳治疗效果的维生素D含量还没有定论，仍需要更加权威的证据。

维生素D3在动物生长发育方面具有重要的作用，能够对钙磷代谢进行调控，影响动物生长性能、骨骼发育。

在猪饲料中加入维生素D3，能够使得猪体内维生素D达到充足水平，改善钙、磷的沉积，降低软骨病等骨骼病的发病率。此外，维生素D3的添加，能够减少粪便排泄钙、磷，减少环境污染。

对于鸡、鸭等家禽而言，幼崽缺乏维生素D会导致生长缓慢、骨骼畸形甚至变脆变软等问题，也会导致产蛋量下降，影响产蛋性能。在日粮中添加维生素D3，能够有效提高产蛋率，改善鸡蛋品质，降低蛋料比。对于肉鸡、肉鸭而言，维生素D3能够改善仔鸡生长性能，增加胸肉占比，增加体重。

诸如羊、奶牛等反刍亚目的饲粮中也可以加入适量的维生素D3。添加维生素D3能够有效增强骨沉积，缩短泌乳早期的钙负平衡持续时长。实验表明，在肉牛的饲粮中加入维生素D3，能够有效增加牛肉的嫩度，缩短牛肉的老化时间，提高牛肉生产的经济效益。而在绵羊的饲料中加入维生素D3，则能够提高绵羊的抗氧化能力，降低机体氧化应激，甚至能够提高机体的免疫力。

由于维生素D3能够对多种疾病进行预防和治疗，因此维生素D3也常作为营养剂在食品中进行添加。2014年，美国FDA批准维生素D3作为营养强化剂加入代餐饮料，但仍有用量的限制。

除了上面提到的几个方面，维生素D3在其他领域也有很广泛的应用，比如医疗美容、化妆品等，并且在科研人员不断研究的过程中，维生素D3的应用领域还在不断进行着扩展，由于维生素D3是人体必要的微量元素，因此该物质在与人体相关的方面仍大有可为。

维生素D3是体内存在的物质，对人体具有许多好处，但若过量摄取，超出在体液中浓度的正常水平，则会引发维生素D中毒。

医学上通常把血清25OHD＞350.0 nmol/L定义为维生素D3过量。而诊断维生素D中毒的必要条件则是高血钙，但目前对于维生素D3中毒导致高钙血症的血清25OHD的临界值，还没有统一的意见。维生素D中毒早期或者轻者可能出现低烧、厌食、恶心、烦躁、腹泻，而重者或晚期还可能出现多尿、昏迷、少尿、脱水等高钙血症的症状。更严重者可能会出现由于高钙血症导致的软组织钙沉积以及肾衰竭致死。

除了维生素D3过量导致的中毒以外，维生素D3缺乏也会导致对应症状。维生素D的缺乏还没有一个明确的定义，医学界大多数专家和医生认为，人血清中25-羟基维生素D含量在30~50 ng/mL为最佳，20~30 ng/mL定义为不足，10~20 ng/mL即为缺乏，而小于10 ng/mL则为严重缺乏。长期缺乏维生素D，则可能导致许多疾病，尤其是由于维生素D与骨骼生长有关，所以骨骼病的患病几率更高。常见的由于维生素D缺乏而出现的病症有如骨质疏松症、骨折、癌症、肌无力、帕金森病、肥胖等。

由于维生素D3的缺乏会导致健康受到影响，因此首先可以进行维生素D的水平检测，对缺乏症进行筛查，防患于未然。为了预防缺乏症，可以进行光照时间的增加。此外，在鱼、蛋、奶、肉等动物性食物以及蘑菇、木耳等植物性食物中均有较高含量，因此通过食物或膳食补充剂也可以增加维生素D的摄入量。若严重不足，则需要根据医嘱进行治疗。

一般情况下，维生素D的每日补充量大于5万IU就可能将25OHD升高到150 μg/L，并且导致中毒症状的产生。因此在防治维生素D的缺乏的同时也应该考虑如何有效避免中毒。尤其是在进行短期大剂量维生素D3摄入以治疗严重维生素D缺乏的情况下，如何安全有效地进行维生素D补充至关重要。研究表明，针对严重维生素D缺乏，每日口服6000 IU维生素D3，进行连续八周治疗即可。在临床治疗过程中，对维生素D的补充仍应该警惕过量或中毒的可能性，对患者的血钙、尿钙以及血清25OHD变化进行实时监测。

一旦发现维生素D中毒，首先应该立即停止服用维生素D，并对高血钙进行治疗，限制每日钙的摄入量。此外，可以应用强的松等糖皮质激素使得肠道对钙的吸收进行抑制。维生素D中毒时，大量进行补液、利尿是非常重要的，也可以通过导泻将多余的钙和维生素D进行排出。洗胃只能排出含有维生素D的食物，而灌肠也只能将放射性肠炎下段的内容物进行排除，因此成功导泻能够使得残留的维生素D被排出，效果更好、更快。临床案例上，除了极个别严重患者有不可逆转的肾损伤以外，维生素D中毒的预后结果大多良好。