Những dưỡng chất quan trọng cho sự toàn vẹn của xương

Tình trạng dinh dưỡng tổng quát có ảnh hưởng đến chức năng của tế bào xương cũng như ảnh hưởng đến các tế bào của các mô khác trong cơ thể. Tuy nhiên, sự suy dinh dưỡng tế bào chỉ ảnh hưởng chủ yếu đến những xương đang được sửa chữa (sức mạnh của các cấu trúc xương tuỳ thuộc ở từng thời điểm là khác nhau) chứ không ảnh hưởng nhiều đến chức năng của tế bào xương hiện tại, vì khối vật chất của xương đã được tích lũy bởi hoạt động của tế bào xương qua hàng nhiều năm.Vì lý do đó, những căng thẳng và thiếu hụt dinh dưỡng cấp hiếm khi gây ra những triệu chứng thấy rõ trên xương ở người lớn, ngay cả  khi chúng gây ra những tổn hại nghiêm trọng đến chức năng của tế bào xương. Ở trẻ em và những động vật đang phát triển thì những triệu chứng biểu hiện rõ ràng hơn bởi vì có ít lượng xương dự trữ trong cơ thể và sự sữa chữa xương xảy ra nhanh hơn nhiều. Mặt khác, có một vài chất dinh dưỡng khi thiếu thụt sẽ dễ có xu hướng gây ra những biểu hiện về xương hơn các chất dinh dưỡng khác. Chúng bao gồm caxi, phố pho, vitamin D, và một vài vi chất dinh dưỡng khác.

Ngoài chức năng điều hòa sự hấp thu Canxi và duy trì nồng độ độ Canxi trong máu, xương còn là nơi dự trữ Canxi và Phốt pho. Sự dự trữ này dành cho những hoạt động chức năng liên quan đến Canxi (và Phốt pho) trong cơ thể như là sự chuyển hóa năng lượng của chất béo. Tuy nhiên, không giống như sự dự trữ của hầu hết các chất dinh dưỡng, xương đòi hỏi một chức năng thực sự riêng biệt, đó là hỗ trợ về mặt cấu trúc và cơ học. Hơn nữa, Chúng ta hãy bàn về những vấn đề xung quanh sự dự trữ canxi, tiếp theo là những ảnh hưởng của nó về mặt dinh dưỡng hay những mặt khác, những thay đổi về lượng dự trữ canxi sẽ ảnh hưởng đến sức mạnh của xương.

Xương là nguồn rất giàu canxi. Tổng lượng caxi trung bình trong xương từ 1100 đến 1500g, và mỗi centimet khối xương chứa lượng caxi nhiều hơn toàn bộ lượng canxi lưu hành trong máu ở người lớn. Do đó, nếu so sánh với những chất dinh dưỡng khác, sự dự trữ canxi là khổng lồ. Mặc dù những chế độ ăn có hàm lượng caxi thấp thường gây cạn kiệt nguồn dự trữ xương, quá trình này xảy ra rất chậm. Do đó, mặc dù nguy cơ gãy xương ở cấp độ dân số tăng ngay lập tức, nhưng ở cấp độ cá nhân thì phải mất nhiều năm thì sức mạnh của xương mới giảm đủ để sự gia tăng nguy cơ gãy xương có thể quan sát thấy được. Sự biểu hiện chậm của ảnh hưởng thiếu hụt canxi khiến cho nhiều nhà khoa học về dinh dưỡng trong quá khứ đã sai lầm (và dường như vô nghĩa) trong kết luận rằng canxi không quan trọng cho sức mạnh của xương ở người lớn. Hơn nữa, một sự thiếu hụt dinh dưỡng tiến triển qua 30 năm chỉ là sự thiếu hụt thực sự qua 30 ngày.

Lượng canxi và phốt pho ăn vào thấp có thể giới hạn cả sự tích lũy xương trong suốt quá trình tăng trưởng và gây ra sự mất xương khi trưởng thành. Lượng caxi ăn vào hoạt động trực tiếp hầu hết thông qua các quá trình điều biến và tu sửa (như mô tả ở phần trên). Như một ví dụ về gạc của hươu: Nếu tán lá cây mùa hè không giàu canxi, thì mỗi chu kỳ hình thành gạc sẽ gây cạn kiệt nguồn caxi của xương, sự thay thế xương sẽ bất thành và khối xương sẽ giảm nhanh chóng trong đời sống của con hươu trưởng thành. Bởi vì nhu cầu canxi ở người tăng theo tuổi tác và vì lượng caxi ăn vào có xu hướng giảm ở người già, chính xác là sự cạn kiệt canxi xảy ra hầu hết ở quần thể người có tuổi cao.

Ăn không đủ phốt pho cũng gây ảnh hưởng lên xương, nhưng theo một con đường khác. Môi trường xung quanh nguyên bào xương được khoáng hóa liên tục với chất nền luôn lấy phốt phát (cũng như canxi) từ chất lỏng xung quanh các tế bào tạo xương. Mặc dù canxi chiếm khoảng 40% khối lượng khoáng của xương, phốt phát chiếm tới gần 60% tổng lượng khoáng. Do đó, phốt pho cũng như canxi thực sự quan trọng trong sự xây dựng xương. Không thể tăng trưởng nhanh chóng mà không có nồng độ cao của phốt phát trong máu, điều này giải thích vì sao lượng phốt phát trong máu cao đáng kể ở trẻ em. Khi nồng độ phốt phát trong máu đi vào xương thấp, quá trình khoáng hóa sẽ chiết xuất phốt phát từ máu càng nhiều khi có có thể, nhưng đồng thời, nó tạo ra một môi trường cạn kiệt phốt phát. Nguyên bào xương cũng như những tế bào khác, cần phốt phát cho sự chuyển hóa của chúng. Kết quả là can thiệp nghiêm trọng đến chức năng của nguyên bào xương: Sự lắng đọng chất nền sẽ chậm đi, quá trình khoáng hóa của nguyên bào xương bắt đầu giảm và giảm nhiều hơn nữa. Những bất thường này sản sinh ra mô hình tế bào học điển hình của bệnh còi xương và loãng xương trong xương (sẽ nói thêm ở phần sau).

Vitamin D có nhiều ảnh hưởng lên xương, như là tạo điều kiện cho sự phát triển của tiền thân ngyên bào xương ở vị trí sửa chữa đã kích hoạt và tăng đáp ứng của nguyên bào sợi đối với những kích thích hấp thụ trở lại. Vitamin D cũng kích thích tổng hợp và giải phóng osteocalcin của các nguyên bào sợi. Tuy nhiên, tầm quan trọng chính của Vitamin D đối với xương là nó tạo điều kiện cho sự hấp thu canxi từ chế độ ăn ở ruột non (và phốt pho ở một mức độ nào đó). Sự thiếu hụt Vitamin D trầm trọng gây ra bệnh còi xương và nhuyễn xương (xem thêm ở phần sau). Sự thiếu hụt Vitamin D ở mức độ nhẹ gây giảm lượng canxi khả dụng của cơ thể và gây nên tình huống thiếu hụt canxi, dẫn đến loãng xương. Theo truyền thống thì việc xác định sự thiếu hụt Vitamin D chỉ đơn giản khi có bệnh còi xương hoặc nhuyễn xương, còn những cấp độ thiếu hụt   ít hơn được gọi là không đủ. Sự phân biệt này không còn hữu dụng nữa. Tất cả những cấp độ không đủ Vitamin D gây nên bệnh nên được gọi là thiếu hụt.

Vitamin K hoạt động trong phản ứng γ-carboxylation của axít glutamic - phần còn lại của nhiều gla-protein trong xương, trong số đó steocalcin được nghiên cứu sâu nhất. Thiếu hụt Vitamin K khiến cho phản ứng carbonxyaltion của osteocalcin không đầy đủ và giảm tổng hợp osteocalcin. Ảnh hưởng của những thay đổi này lên sức mạnh hay sự toàn vẹn của xương cũng không rõ ràng. Tuy nhiên, tình trạng Vitamin K thấp có liên quan đến những nghiên cứu dịch tể học với khối xương thấp, tăng nguy cơ gãy xương chậu và tăng tỉ lệ tử vong do bệnh tim mạch.

Vitamin và một số vi khoáng chất nhất định (đồng, kẽm và mangan) là những yếu tố quan trọng cho quá trình tổng hợp và liên kết chéo của các protein nền. Đồng và Vitamin C có lẽ được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực này. Đồng là một trong những yếu tố của men oxy hóa Lysyl, các enzym chịu trách nhiệm liên kết chéo các sợi collagen. Can thiệp vào yếu tố này khiến cho cấu trúc xương bị suy yếu. Axít ascorbic cũng là một trong những yếu tố cần thiết cho sự liên kết chéo của các sợi collagen, nếu không có nó, sức mạnh của xương cũng bị suy yếu. Sự thiếu hụt những vi chất này trong quá trình tăng trưởng có thể dẫn đến sự bất thường nghiêm trọng của xương. Những bất thường này bao gồm tăng trưởng còi cọc, dị sản xương là loạn sản đầu xương. Ở người lớn, sự thiếu hụt của các vi chất này đến mức nào thì đủ để ảnh hưởng đến mức toàn vẹn của xương thì vẫn chưa biết rõ.