Transcript 단백질의 질 평가(1)

제4장 단백질
단백질과 아미노산
 단백질이란?
- 구성 원소: 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)
- 단백질 분자의 질소함량(12~19%, 평균 16%)
 (∴) 어떤 단백질의 질소량 x 100/16(6.25) = 단백질량
* 6.25를 질소계수라고 한다.
 체내 기능
- 신체 구성
- 에너지 발생
- 체내 필수 물질 합성, 운반체 역할
 권장 섭취량: 총 섭취 에너지의 7~20%
 부족증
- 면역능력 저하
- 감염성 질병 발생율 증가
- 사망
아미노산의 구조
 아미노산(amino acid) : 단백질 분자의 가장 기본적인 조성물질
 구조 : 탄소원자 한 개에 아미노기(amino group, -NH2),
카르복실기(carboxyl group, -COOH), 수소, R기(R group) 연결
 R기(residual group): 아미노산의 종류에 따라 달라지며, R기가
무엇인가에 따라서 각 아미노산의 성질이나 기능이 달라짐
아미노산의 분류
 식품 중에 존재하는 아미노산의 종류: 20가지
 중성/산성/염기성 아미노산
 기본적으로는 중성
 곁가지 R기에 아미노기가 더 첨가되면 염기성 아미노산
R기에 카르복실기가 더 첨가되면 산성 아미노산
 필수아미노산/불필수아미노산
 체내에서 합성되지 않거나 소량만 합성되어 식사로부터 먹어야
하는 아미노산 필수아미노산(essential amino acid; EAA)
 신체 내에서 충분한 양 합성 불필수아미노산(nonessential
amino acid; NEAA)
(불필수아미노산도 체내에서의 중요성은 동일하다.)
아미노산의 분류
• 반필수 아미노산((1)시스테인, (2) 타이로신) 식사에서 충분히 공급되지
않으면 필수아미노산((1) 메티오닌, (2) 페닐알라닌)으로부터 체내 합성
단백질의 분류
 완전/부분적 불완전/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
 부분적 불완전 단백질: 필수아미노산을 모두 함유하지만 그
양이 충분하지 않음

견과류, 대두 단백질
 불완전 단백질: 필수아미노산이 하나 혹은 그 이상 부족

젤라틴, 곡류 단백, 대두를 제외한 두류 단백질
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 상호 보충효과
 방법 :
1) 부분적 불완전단백질이나 불완전단백질 + 완전 단백질  단백질
생합성에 필요한 필수아미노산을 충분히 공급받을 수 있다
2) 서로 다른 필수아미노산 조성을 가진 두 개의 단백질을 동시에 섭취
 서로의 제한점(제한 아미노산) 보충
[단백질 보충효과를 위한 식품의 배합]
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
 1차 구조:
- 펩티드 결합에 의한 폴리펩티드 사슬
- S-S 결합에 의해 구부러져 겹쳐지는 구조
 2차 구조:
- 폴리펩티드 사슬에 있는 각 아미노산들 간의 수소결합
- 안정한 나선형 구조(α-helix 구조라고 함)
 3차 구조:
- 3차원적 입체구조; 섬유형 단백질/ 구형 단백질
단백질 구조상의 변화  질병 초래 (예) 겸상적혈구 빈혈
(sickle-cell anemia)  헤모글로빈 단백질 합성 오류
단백질의 구조
[정상 적혈구 세포(a)와 겸상 적혈구 빈혈 환자의 적혈구 세포(b)]
단백질의 변성
 변성 조건 : 가열, 산, 자외선, 알코올, 기계적 작용 등
 변성 내용 : 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  알부민 단백질 변성
 변성의 이용
- 위산에 의한 식품 단백질 변성 소화 용이
- 조리 시 가열에 의한 식품 단백질 변성 소화 용이
- 단백질로 된 효소나 호르몬 위산에 의한 변성과 소화에 의해 기능 상실
단백질의 변성
단백질의 소화 ; 아미노산으로 분해되어야 흡수
 소화과정의 두 단계 :
1) 단백질 특유의 기능적인 형태를 잃고 긴 사슬로 풀리는 변성과정
2) 단백질 분해효소에 의한 펩티드 결합의 가수분해 과정
 입과 위에서의 소화
 입: 물리적 소화작용
 위: 펩신 단백질을 폴리펩티드로 분해
 소장에서의 소화
 유미즙(chyme: 영양소, 물, 위산, 소화액이 섞인 죽 상태)이 십이지장에 도달
 췌장액 중의 중탄산이온(HCO3-)에 의해 유미즙 중화  (pH 2~3  5~7)
 췌장액 중의 트립신, 키모트립신, 카르복시펩티데이즈

폴리펩티드  작은 펩티드, 다이펩티드, 아미노산으로 분해
 소장액 중의 아미노펩티데이즈, 다이펩티데이즈

폴리펩티드, 다이펩티드 아미노산(최종)으로 분해
단백질의 소화효소
단백질의 흡수(아미노산의 흡수)
 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
운반체를 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
아미노산과 다이펩티드의 흡수
단백질의 대사
 아미노산 대사: 동화작용(단백질 합성)과 이화작용(에너지 발생)
 단백질 합성
 장소: 세포 내 리보좀(ribosome)
 합성을 지시하는 유전정보: DNA(deoxyribonucleic acid)
- 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
단백질 합성의 첫 단계
아미노산 풀(amino acid pool)
 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
불필수아미노산의 합성
 합성 장소 : 간(liver)
 합성 방법 : 탄소골격(케토산) + 아미노기(질소기)
 아미노기 공급원 : 체내에 충분히 들어있는 다른 아미노산
 아미노기 첨가 반응 :
1) 아미노기전이(transamination) 반응

아미노기가 아미노산으로부터 케토산으로 전이되면서 아미노산이었던
것은 아미노기를 잃고 케토산이 되고, 케토산이었던 것은 아미노기를
받아 아미노산이 되는 반응
2) 탈아미노(deamination) 반응

아미노산의 아미노기가 암모니아형태로 떨어져 나오고, 아미노기를
잃은 아미노산은 케토산이 되는 반응
아미노기 전이반응
아미노산의 분해
 아미노산의 분해(이화과정) :
1) 탈아미노 반응 케토산 생성
2) 케토산의 용도 :
- 탄수화물이나 지방의 이화과정에 합류, 에너지 생성
- 당신생합성, 지방산 합성
 아미노산의 대사경로에 따른 분류 :
1) 당 생성 아미노산(glucogenic amino acid) :
- 탄수화물 대사로 들어가는 아미노산
- (예) 대부분의 아미노산 주로 TCA회로의 여러 물질로 들어감
2) 케톤 생성 아미노산(ketogenic amino acid) :
- 지방대사에 관계되는 아세틸 CoA로 전환되는 아미노산
- (예) 루신(leucine)은 순수한 케톤 생성 아미노산임
* 몇 개의 아미노산은 위의 두 경로로 다 들어갈 수 있다.
아미노산의 분해 및 포도당의 신생 합성
암모니아의 독성 제거작용
 암모니아:
- 아미노산의 아미노기가 탈아미노반응에 의해 분리되어 생성
- 신체에 유독한 수용성 가스
 치사량은 혈액 1L 당 0.01mg
 암모니아 독성 제거 방법:
- 신체 각 세포에서 생성된 암모니아
 혈액에 의해 간으로 운반
 요소회로(urea cycle)에 의해 요소 생성
 요소는 혈액에 실려 신장으로 가서 배설
 요소회로
- 요소생성에 관여하는 효소들은 간에 존재
- 암모니아를 CO2와 결합시켜 유독하지 않은 요소 생성
단백질의 생리적 기능
 새로운 조직의 합성과 보수
 호르몬, 효소와 항체의 형성
 체액의 균형 유지
 산·알칼리 균형
 영양소의 운반
 에너지의 급원 및 당 신생 합성
단백질의 생리적 기능(1)
 새로운 조직의 합성과 보수
 단백질은 신체 모든 조직의 기본적인 구성성분
 (∴) 모든 신체조직의 성장, 유지 및 보수에 필요
 (예) 근육조직, 머리카락, 손톱, 발톱, 피부, 뼈와 결합조직, 혈액 등
 호르몬, 효소와 항체의 형성
 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
단백질의 생리적 기능(2)
 체액의 균형 유지
 단백질은 분자가 매우 크므로 반 투과성 세포막을 통해 확산되지
않음
 삼투압에 영향을 주어 세포막을 통한 액체의 이동에 관여
 단백질 섭취 부족 시 영양성 부종(nutritional edema) 발생


단백질 섭취 부족으로 혈장 단백질 농도가 낮아지고 혈액 내의
물이 조직액 속으로 이동
조직에 액체가 쌓여서 부종 발생
*이 때 단백질의 섭취를 늘려 혈액 단백질의 농도가 정상으로 되면,
조직액 중의 물이 다시 혈액으로 돌아옴
수분의 균형에 미치는 혈액 중 단백질의 효과
(a)는 혈중 단백질의 농도가 정상일 때이며, 정상적인 양의 수분이 혈관으로 들어가고,
(b)는 영양결핍으로 인해 혈중 단백질의 농도가 떨어졌을 때이며, 수분이 혈관으로부터
조직 쪽으로 이동되어 쌓이게 되며, 그 결과 영양성 부종이 생긴다.
단백질의 생리적 기능(3)
 산·알칼리 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(-NH2)가 염기성기(-NH3+)가 되면서 중화
단백질의 산·알칼리 균형
단백질의 생리적 기능(4)
 영양소의 운반
 단백질은 여러 영양소들과 결합, 혈액을 통한 운반체 기능 수행

지단백(lipoprotein) : 지방을 수용성인 혈액 내에서 운반

트랜스페린(transferrin) : 혈액을 통한 철분 운반 단백질
 에너지의 급원 및 당 신생 합성(gluconeogenesis)
 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
식생활과 단백질
 한국인의 단백질 섭취 실태
* 2005년도 국민건강·영양조사 결과(보건복지부)


평균 단백질 섭취량: 연령별, 지역별 모두 권장섭취량을
훨씬 초과
평균 필요량(EAR) 미만을 섭취한 비율:
- 전체 조사 대상자 중에서 남자 9.1%, 여자 11.5%
- 특히 사춘기 청소년과 65세 이상 노인층의 부족이 심각

총 단백질 섭취량 중 동물성 단백질의 섭취비율: 47.4%,
질적으로 우수
한국인의 단백질 섭취 실태
단백질 필요량의 추정
 식이 단백질의 최소 필요량을 추정하는 방법:
1) 질소균형 연구(nitrogen balance method)
2) 요인가산방법(factorial method)
 질소균형 연구
* 질소균형이란: 섭취한 질소량과 배설된 질소량 사이의 균형을 의미
* 식이 단백질의 최소 필요량 = 질소평형(질소 섭취량= 질소 배설량)을
이루는 최저 단백질량
 요인가산방법
• 무단백 식사 후 배설되는 총 질소량은 신체의 단백질대사를 정상으로
유지시키기 위한 최소 필요량이라고 봄
• 이 때 고려되는 요인: 요중 질소량, 변중 질소량, 땀과 피부를 통한
질소 손실량 등
질소균형의 세가지 유형
 질소평형상태(nitrogen equilibrium)
 질소 섭취량 = 질소 배설량
 체내의 질소 필요량만큼 맞게 섭취했음을 의미
 양의 질소균형(positive nitrogen balance))
 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
 음의 질소균형(negative nitrogen balance))
 질소 섭취량 < 질소 배설량
 신체가 체단백질을 분해함을 의미
 에너지 섭취부족 시, 오랫동안 근육을 사용하지 않을 때, 발열, 감염, 상해,
스트레스가 심할 때 나타남
단백질의 균형
단백질 영양섭취기준(DRI)
 권장섭취량 설정방법
 단백질 권장섭취량 = 음의 질소균형을 일으키지 않을 만한
최소필요량 + 개인차를 감안한 안전량
 성인의 평균필요량(EAR)
 미국/캐나다의 질소균형연구를 기초로 체중 kg당 1일 평균 단백질
필요량을 0.66 g/kg/일로 산정
 여기에 한국인 기준 체중 적용1일 평균필요량 계산
 성인의 권장섭취량(RI)
 평균필요량에 12.5%의 변이계수를 적용 이는 인구집단 내
대부분(97.5%)의 개인 필요량을 충족시키는 값으로 봄
 0.66 x 1.25 = 0.83 g/kg/일
 여기에 한국인 기준 체중 적용1일 권장섭취량 계산(5단위로 수치
조정)
한국인 성인과 노인의 연령별 단백질 평균필요량과 권장섭취량(2005)
임신 및 수유부의 1일 단백질 영양섭취기준
 임신부
- 임신 중기 추가 단백질 평균필요량 = +19g/일(요인가산법 사용)
- 임신부의 추가 단백질 권장량 = +19g/일 x 1.25 ≒ +25g/일
 수유부
- 추가 단백질 평균필요량 = +0.37g/kg/일(미국/캐나다 섭취기준)
x 성인여자 체중 = +20g/일
- 수유부의 추가 단백질 권장량 = +20g/일 x 1.25 ≒ +25g/일
영아기 단백질 영양섭취기준
 영아 전기(0~5개월):
- 단백질 필요량에 대한 자료 부족으로 권장섭취량(RI) 설정이 어려우므로
모유섭취량에 근거한 충분섭취량(AI) 설정
- 단백질 충분섭취량= 체중당 충분섭취량 x 기준체중= 9.5g/일
 영아 후기(6~11개월)
- 단백질 권장섭취량= 평균필요량 x 변이계수 x 기준체중=13.5g/일
우리나라 유아, 아동, 청소년의 연령별 단백질 영양섭취기준
 FAO/WHO/UNU 보고서를 근거로 기준 체중을 적용하여 평균필요량 설정
 단백질 영양섭취기준 = 평균필요량 x 변이계수(1.25)
 산출된 수치를 5단위로 조정
단백질의 급원
 식물성, 동물성 식품에 널리 분포
 동물성 급원
 쇠고기, 돼지고기, 닭고기, 오리고기, 생선, 가금류, 달걀, 우유, 치즈,
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.
몇 가지 식품의 단백질 함량
단백질의 질 평가
 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 달걀단백질의 각 필수아미노산 농도와
비교 ; 달걀 단백질은 최고의 양질 단백질이므로 여러 단백질의 질 평가 시
기준단백질(reference protein)이 된다.
 Ex) 시험단백질의 제1제한 아미노산이, 달걀 속 그 아미노산 양의 60% 밖에 안
된다면 시험단백질의 아미노산가는 60
 장점

식품의 아미노산 조성을 기계로 분석하므로 평가가 쉽다.
 제한점

생물학적인 방법이 아닌 실험실에서 분석하는 방법으로 신체의 소화율이
반영되지 않는다.
평가방법에 따른 몇 가지 식품단백질의 질 비교
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
 영아용 식품의 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)
 소화율보정 아미노산가(PDCAAS: protein digestibility
corrected amino acid score)
 단백질의 소화율을 감안한 아미노산가
 PDCAAS 계산방법:

시험단백질의 아미노산가를 100으로 나누어주어 0~1 사이 값으로
구한 후
그 단백질의 소화율(보통 0.8~1.0)을 곱한다.

최대치 1

우유, 달걀, 콩 단백질 – 1에 가까움

필수아미노산 중 1~2개가 완전히 결핍되면 0

식품의 소화 흡수율
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 요소의 형태로 신장을 통해
배설되므로 신장에 과도한 부담
 (∴) 권장섭취량의 두 세 배 이상의 단백질 섭취는 자제할 것
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
 증세가 호전되면 일반우유와 고단백식 제공
 예방
 충분한 에너지 공급을 위한 이유식 보충
 우유 공급: 성장 촉진, 항체/호르몬/효소의 형성
 위생상태 개선, 생활 주거환경의 개선  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
쿼시오커와 마라스무스에 걸린 어린이
단백질과 아미노산 보충제 섭취 시 아미노산 불균형으로 인한 부작용의 예