제4장 단백질

단백질과 아미노산

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단백질이란?

구성 원소: 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N) - 단백질 분자의 질소함량(12~19%, 평균 16% )

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(∴) 어떤 단백질의 질소량 x 100/16( 6.25) * 6.25를 질소계수라고 한다.

= 단백질량

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체내 기능 - 신체 구성 - 에너지 발생 - 체내 필수 물질 합성, 운반체 역할 권장 섭취량 : 총 섭취 에너지의 부족증 - 면역능력 저하 - 감염성 질병 발생율 증가 - 사망 7~20%

아미노산의 구조

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아미노산(amino acid) : 단백질 분자의 가장 기본적인 조성물질

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구조 : 탄소원자 한 개에 아미노기(amino group, -NH 2 ), 카르복실기(carboxyl group, -COOH), 수소, R기(R group) 연결

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R기(residual group): 아미노산의 종류에 따라 달라지며, R기가 무엇인가에 따라서 각 아미노산의 성질이나 기능이 달라짐

아미노산의 분류

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식품 중에 존재하는 아미노산의 종류: 20가지 중성/산성/염기성 아미노산

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기본적으로는 중성 곁가지 R기에 아미노기가 더 첨가되면

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R기에 카르복실기가 더 첨가되면

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염기성 아미노산 산성 아미노산

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필수아미노산/불필수아미노산

 

체내에서 합성되지 않거나 소량만 합성되어 식사로부터 먹어야 하는 아미노산

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필수아미노산(essential amino acid; EAA) 신체 내에서 충분한 양 합성



불필수아미노산(nonessential amino acid; NEAA) (불필수아미노산도 체내에서의 중요성은 동일하다.)

단백질의 구조 펩티드 결합(peptide bond) : * 단백질을 구성하는 모든 아미노산들의 연결방식 * 한 아미노산의 카르복실기와 다른 아미노산의 아미노기가 물 1분자를 내 놓으면서 결합 * 연결된 아미노산의 수에 따라 dipeptide, tripeptide, polypeptide 로 명명 * 대부분의 단백질은 polypeptide임

단백질의 1차, 2차, 3차 구조

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1차 구조: - 펩티드 결합에 의한 폴리펩티드 사슬 2차 구조: - 안정한 나선형 구조(α-helix 구조라고 함) - 폴리펩티드 사슬에 있는 각 아미노산들 간의 수소결합, N-H결합 3차 구조: - 3차원적 입체구조; 섬유형 단백질/ 구형 단백질 - 소수성상호작용, 정전기적 상호작용, 수소결합, 공유결합 4차 구조: - 각 폴리펩타이드는 소단위(oligomer)를 구성

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단위체(protomer)구성 단백질 구조상의 변화 (sickle-cell anemia)

 

질병 초래 (예) 겸상적혈구 빈혈 헤모글로빈 단백질 합성 오류

단백질의 변성

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변성 조건 변성 내용 : 가열, 산, 자외선, 알코올, 기계적 작용 등 : 단백질 분자의 구조적인 배열, 즉 수소결합, S-S 결합 등이 깨짐 초래되는 결과 : - 자연상태의 단백질이 특유한 기능적 형태 상실 - 체내에서는 단백질 고유의 생리적 기능 상실 변성의 예 : 달걀 흰자위 가열 시

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알부민 단백질 변성 변성의 이용 - 위산에 의한 식품 단백질 변성

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소화 용이 - 조리 시 가열에 의한 식품 단백질 변성

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소화 용이 - 단백질로 된 효소나 호르몬



위산에 의한 변성과 소화에 의해 기능 상실

단백질의 변성

단백질의 생리적 기능

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1. 구조적, 기계적 기능: 새로운 조직의 합성과 보수

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2. 면역기능

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3. 호르몬, 효소와 항체의 형성

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4. 산

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염기 균형

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5. 영양소의 운반

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6. 체액의 균형 유지

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7. 에너지의 급원 및 당 신생 합성

단백질의 생리적 기능 1. 구조적, 기계적 기능: 새로운 조직의 합성과 보수 단백질은 신체 모든 조직의 기본적인 구성성분

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(∴) 모든 신체조직의 성장, 유지 및 보수에 필요 (예) 근육조직, 머리카락, 손톱, 발톱, 피부, 뼈와 결합조직, 혈액 등 2. 면역기능: 항원에 대한 항체의 방어작용 항체: 병원균이나 바이러스 등 항원이 체내에 들어 왔을 때 방어해 주는 단백질 3. 호르몬, 효소 합성

 

호르몬, 효소, 항체의 구성성분은 단백질 식이 단백질이 부족하면, - 효소나 호르몬의 합성이 충분치 않아 뇌와 같은 곳이 크게 손상 - 항체가 만들어지지 않아 감염성 질병에 쉽게 걸림

4. 산

·

염기 균형



단백질은 신체 내에서 산과 염기 양쪽의 역할을 다 할 수 있으므로 신체의 정상적인 약알칼리성 상태(pH 7.4) 유지에 기여



산

·

알칼리 균형 유지 방법 : * 체액이 염기성 쪽으로 기울면 단백질이 산의 역할, 즉 카르복실기(-COOH)가 산기(-COO )가 되면서 중화 * 체액이 산성 쪽으로 기울면 단백질이 염기의 역할, 즉 아미노기(-NH 2 )가 염기성기(-NH 3 + )가 되면서 중화

5. 운반기능



단백질은 여러 영양소들과 결합, 혈액을 통한 운반체 기능 수행 - 지단백(lipoprotein) : 지방을 수용성인 혈액 내에서 운반 - 트랜스페린(transferrin) : 혈액을 통한 철분 운반 단백질 6. 체액의 균형 유지

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세포내외의 체액은 여러요인에 의해 영향을 받는데 특히 중요한것은 단백질, 혈액단백질은 체액의 수준을 적절히 유지함.

단백질 섭취 부족 시

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영양성 부종(nutritional edema) 발생

 

단백질 섭취 부족으로 혈장 단백질 농도가 낮아지면 혈액 내의 물이 조직액 속으로 이동 조직에 액체가 쌓여서 부종 발생

7. 에너지의 급원

1g 당 4kcal의 열량 발생

-

탄수화물 공급이 부족하면 단백질이 분해되어 포도당 신생 합성 에너지 발생과정이 탄수화물이나 지방 보다 비효율적, 생리적 관점에서 비싼 에너지원 (∴) 단백질은 에너지원보다 단백질만이 할 수 있는 여러 다른 기능을 수행하는 것이 바람직

단백질의 소화와 흡수 ; 아미노산으로 분해되어야 흡수

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소화과정의 두 단계 : 1) 단백질 특유의 기능적인 형태를 잃고 긴 사슬로 풀리는 변성과정 2) 단백질 분해효소에 의한 펩티드 결합의 가수분해 과정

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입과 위에서의 소화



입: 물리적 소화작용



위: 펩신

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단백질을 폴리펩티드로 분해

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소장에서의 소화



유미즙(chyme: 영양소, 물, 위산, 소화액이 섞인 죽 상태)이 십이지장에 도달

 

췌장액 중의 중탄산이온(HCO 췌장액 중의 트립신, 키모트립신, 카르복시펩티데이즈



폴리펩티드

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3 )에 의해 유미즙 중화

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(pH 2~3 작은 펩티드, 다이펩티드, 아미노산으로 분해



5~7)



소장액 중의 아미노펩티데이즈, 다이펩티데이즈



폴리펩티드, 다이펩티드



아미노산(최종)으로 분해

단백질의 소화효소

아미노산과 펩타이드의 흡수

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흡수 형태 : 대부분 아미노산 흡수 장소 : 대부분 소장벽을 통하여 흡수 흡수 기전 : 단순확산 또는 능동적 운반 - 능동적 운반이 일어나려면 에너지가 필요함 - 흡수 시 아미노산들은 그 구조와 성질에 따라 각각 특이한 운반체 를 요구 - 서로 비슷한 화학 구조와 성질을 가진 아미노산들은 운반체 효소를 공유



(∴) 흡수 시 서로 경쟁 단백질 흡수와 알레르기 반응 : 식품 내 단백질(밀가루의 글루텐, 달걀이나 우유 단백질 등)이 그대로, 또는 충분히 소화되지 않은 채 흡수될 때 나타나는 면역반응 이상

신체내 단백질 1. 단백질 합성

  

장소 : 세포 내 리보좀(ribosome) 합성을 지시하는 유전정보 : DNA( d eoxyribo n ucleic a cid) - 세포의 핵 속에 존재하는 핵산물질 - 유전정보에 따라 아미노산 배열, 단백질 합성 합성 조건 : - 합성에 필요한 모든 아미노산들의 완벽한 공급 필요 - 유전정보에 의해 지시되는 모든 아미노산들이 체내 아미노산 풀로부터 동시에, 충분한 양 공급 필요

1) 유전적 아미노산 배열순서

2) 영양소와 유전자 발현

2. 아미노산 풀 (amino acid pool)과 단백질 대사회전

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정의 : 단백질 합성과 체내 아미노산의 다른 필요를 위해 마련되어 있는 아미노산들의 단기집합체 장소 : 간, 순환 혈액, 근육, 체내 각 세포 등 급원 : 1) 식이 중의 단백질 2) 신체 단백질의 분해 용도 : 1) 새로운 단백질(신체 구성성분, 효소, 호르몬, 항체 등) 합성 2) 탄소 골격을 이용한 지방과 포도당 합성 3) 탄소골격을 이용한 에너지 생산

아미노산 풀을 중심으로 본 아미노산 대사

3. 비단백성 분자의 합성

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아미노산 트립토판 티로신

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DNA, RNA의 전구체, 조효소 나이아신, 세러토닌 합성 에피네프린, 노르에피네프린 티로신 글리신

 

히스티딘 멜라닌, 감상선호르몬 독성물질과 결합

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히스타민 합성

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체외로 배출 알레르기 반응 유발

4. 아미노산의 분해와 질소 분해

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아미노산의 분해(이화과정) : 탈아미노 반응

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1) 케토산 : 케토산, 아미노기(-NH 2 ) 생성 - 탄수화물이나 지방의 이화과정에 합류, 에너지 생성 - 당, 지질 합성 2) 아미노기

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암모니아로 전환(유독) 3) 요소회로(Urea Cycle)를 통해 요소(유독하지 않음) 생성 4) 요소

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신장을 통해 배설

5. 질소균형

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질소평형상태(nitrogen equilibrium)

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질소 섭취량 = 질소 배설량



체내의 질소 필요량만큼 맞게 섭취했음을 의미

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양의 질소균형(positive nitrogen balance))

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질소 섭취량 > 질소 배설량 신체가 질소를 사용하여 체단백질을 합성함을 의미 영양실조, 질병, 상해 등으로 인한 체단백질 손실 상태로부터의 회복 시, 임신부, 성장기 어린이, 근육을 만들어야 하는 운동선수에게서 나타남

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음의 질소균형(negative nitrogen balance))

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질소 섭취량 < 질소 배설량 신체가 체단백질을 분해함을 의미 에너지 섭취부족 시, 오랫동안 근육을 사용하지 않을 때, 발열, 감염, 상해, 스트레스가 심할 때 나타남

5. 단백질과 식생활 단백질 영양섭취기준(DRI)

  

2010년 개정: 19세 이상 성인의 에너지 적정비율(AMDR) 탄수화물: 55~70%, 지질: 15~25% , 단백질: 7~20% 권장섭취량 설정방법



단백질 권장섭취량 = 음의 질소균형을 일으키지 않을 만한 최소필요량 + 개인차를 감안한 안전량

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성인의 평균필요량(EAR)

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체중 kg당 1일 평균 단백질 필요량을 0.66 g/kg/일 로 산정 한국인 기준 체중 적용

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1일 평균필요량 계산

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성인의 권장섭취량(RI)

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2010년 성인: 0.83 g/kg/일



한국인 기준 체중 적용



1일 권장섭취량 계산(5단위로 수치 조정)

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한국인의 단백질 섭취 실태 * 2008년도 국민건강

·

영양조사 결과(보건복지부)



평균 단백질 섭취량: 연령별, 지역별 모두 권장섭취량을 훨씬 초과



평균 필요량(EAR) 미만을 섭취한 비율: - 전체 조사 대상자 중에서 16% (남자 11%, 여자 21%) - 특히 사춘기 청소년과 65세 이상 노인층의 부족이 심각



총 단백질 섭취량 중 동물성 단백질의 섭취비율: 40.3%, 질적으로 우수

한국인의 단백질 섭취 실태

단백질의 급원

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식물성, 동물성 식품에 널리 분포

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동물성 급원

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쇠고기, 돼지고기, 닭고기, 오리고기, 생선, 가금류, 달걀, 우유, 치즈

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유제품 등 : 완전 단백질 젤라틴(트립토판과 라이신 부족) : 불완전 단백질



식물성 급원

  

대두: 함량(35~40%) 풍부하고 질이 우수 강낭콩, 팥, 녹두 등의 두류: 함량(20% 내외)이 비교적 풍부 곡류: 함량이 비교적 적어 쌀 7~8%, 옥수수 9~10%, 밀 12~16%



식물성 급원은 부분적 불완전 또는 불완전 단백질이다.

단백질의 질

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완전/불완전 단백질 필수아미노산의 함량에 따라 분류함



완전단백질 : 생명체의 성장과 유지에 필요한 필수아미노산을 모두, 충분한 양 함유하고 있는 단백질



젤라틴을 제외한 대부분의 동물성 단백질; 육류, 가금류, 달걀, 우유 및 생선 등



불완전 단백질 : 필수아미노산이 하나 혹은 그 이상 부족



젤라틴, 곡류 단백, 대두를 제외한 두류 단백질

단백질의 상호 보완효과 서로 다른 필수아미노산 조성을 가진 두 개의 단백질을 동시에 섭취 서로의 제한점(제한 아미노산) 보충

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제한 아미노산(limiting amino acids)

  

식품 내 필수아미노산 중 인체에서 요구되는 양에 비해 제일 적게 들어 있는 필수 아미노산 단백질 생합성의 특징: 특정 단백질 합성 시에 요구되는 모든 아미노산들이 동시에, 모두, 충분한 양이 공급되어야 합성 가능 필수아미노산 중 하나라도 부족하면 단백질의 합성 정지( all or none process 라고 함)

[

식물성 식품의 제한 아미노산

]

단백질의 질 평가

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질 좋은 식이 단백질이란?

* 체내 단백질 합성효율이 높은 단백질 * 조건: 1) 필수아미노산이 충분하게 들어있을 것 2) 소화흡수율이 높을 것



단백질의 질 평가방법 * 아미노산가(amino acid score) * 생물가(BV, biological value) * 단백질 효율(PER, protein efficiency ratio) * 단백질 실이용율(NPU, net protein utilization) * 소화율보정 아미노산가(PDCAAS, protein digestibility corrected amino acid score)

단백질의 질 평가(1)



아미노산가(amino acid score)

 

시험단백질의 각 필수아미노산 농도를 달걀단백질 의 각 필수아미노산 농도와 비교 ; 달걀 단백질은 최고의 양질 단백질이므로 여러 단백질의 질 평가 시 기준단백질(reference protein)이 된다.

Ex) 시험단백질의 제1제한 아미노산 이, 달걀 속 그 아미노산 양의 60% 밖에 안 된다면 시험단백질의 아미노산가는 60

단백질의 질 평가(2)



생물가(BV, biological value)

    

식품단백질로부터 신체단백질로의 전환이 얼마나 효율적으로 수행되는가를 보는 것 흡수된 질소량 중 생명 유지와 성장을 위해 체내에 보유된 질소의 비율 소화흡수율이 고려되지 않음 완전히 소화되는 단백질의 경우에만 아미노산가와 같은 경향을 보임 생물가가 높은 식품



달걀, 쇠고기, 우유

단백질의 질 평가(3)



단백질 효율(PER, protein efficiency ratio)

  

특수한 생체조건 하에서 동물에 의한 단백질의 이용을 고려해보는 방법 식품의 생물가(BV) 를 반영 : PER과 BV는 기본적으로 신체조직에 의한 단백질의 보유정도를 측정 영유아식품의 식품 표시기준 설정 시 흔히 사용

단백질의 질 평가(4)



단백질 실이용률(NPU, net protein utilization)

 

생물가에 소화 흡수율을 감안해 준 값 총 섭취질소 중에서 체내 보유된 질소의 비율

단백질의 질 평가(5)

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소화율보정 아미노산가(PDCAAS: protein digestibility corrected amino acid score)



단백질의

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소화율 을 감안한 아미노산가 0~100의 값, 최대치 100(가장 완벽한 단백질)



우유, 달걀, 콩 단백질, 쇠고기, 닭고기,

–

100에 가까움



필수아미노산 중 1~2개가 완전히 결핍되면 0

단백질 결핍증(1)



쿼시오커(kwashiorkor)

   

특히 1~4세 어린이들에게 흔한 단백질 영양결핍증 증상



초기: 신경과민증상, 성장지연

  

근육 빈약, 피부 부스럼, 탈색 빈혈, 식욕부진, 간 비대, 설사, 구토 부종 식이요법



부종이 없어질 때 까지 탈지분유 제공



예방 증세가 호전되면 일반우유와 고단백식 제공



충분한 에너지 공급을 위한 이유식 보충

  

우유 공급: 성장 촉진, 항체/호르몬/효소의 형성 위생상태 개선, 생활 주거환경의 개선

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감염성 질병 감소 식품 생산 증가, 식품 유통구조의 개선

단백질 결핍증(2)



마라스무스(marasmus)

  

단백질-열량 영양불량 (PCM, protein calorie malnutrition) 총 식사량이 적어서 식사단백질 양이 단백질 본래의 기능을 수행하기 에 부족, 동시에 에너지 부족 결과 : 영양실조, 소화기계 질환, 감염성 질환, 사망

단백질의 과잉 섭취



동물성 단백질식품의 과잉 섭취 시 대부분 지방도 많이 함유하여 비만의 원인



고단백질 식사 시 요를 통한 칼슘 배설량 증가

(∵)

동물성 단백질에 풍부한 함유황 아미노산이 산성 아미노산이므로 이를 중화하기 위해 신체 밖으로 칼슘을 배설



과잉의 단백질 섭취 시 여분의 질소는 배설되므로 신장에 과도한 부담 요소 의 형태로 신장을 통해



(∴) 권장섭취량의 두 세 배 이상의 단백질 섭취는 자제할 것

채식주의에 대한 논쟁

1. 건강에 이로운점: - 지질, 포화지질, 콜레스테롤함량이 적고 - Mg, 엽산, 베타카로틴, Vit C, Vit E 등 항산화 영양소가 많아 신체조직의 손상을 방지함 2. 건강에 해로운점: - 아연, 칼슘, Vit C, 리보플라빈, Vit B 12 등이 부족, - 피틴산, 수산이 많아 무기질의 흡수를 방해