단백질 및 아미노산에 관한 기본 지식

인체를 포함한 모든 생물은 본질적으로 수분으로 채워진 단백질을 기본으로 하여 때때로 골격의 지지를 받는 구조로 이루어져 있습니다. 그만큼 단백질은 인체에 중요한 비중을 차지합니다. 단백질은 신체에서 가장 중요한 기본 단위라고 할 수 있습니다. 실제로 단백질(protein)이라는 단어는 그리스어 proteios, “제1 성질” 또는 protos “첫 번째”가 기원입니다.

인체는 2백만 개 이상의 단백질로 구성된 것으로 예상되고 있습니다. 지구상에 존재하는 모든 생물의 단백질의 종류는 1천만 개를 초과할 것이 분명합니다. 그러나 모든 것이 확실히 알려지지는 않았습니다. 모든 단백질은 더 작은 단위의 구성 성분으로 이루어져 있으므로 단백질의 종류는 상상을 초월한다고 할 수 있습니다.

단백질의 구조

단백질은 아미노산이라고 하는 생명의 기본 단위로 이루어진 긴사슬 분자입니다. 단백질은 고유한 화학 구조를 가진 유기 화합물입니다. 아미노산은 아민(amine: 질소 원자 한 개와 수소 원자 두 개가 결합된 분자)과 카르복실기(탄소 원자 한 개, 산소 원자 두 개 및 수소 원자 한 개가 결합된 분자) 그룹을 포함하고 있습니다. 이들은 아미노산 종류에 따라 분자의 곁사슬(R 그룹)에 연결되어 있습니다.

신체를 구성하는 기본 단위로 잘 알려진 아미노산은 약 20가지 종류가 있습니다. 최근 두 가지 아미노산이 새롭게 발견되었습니다. 따라서 지구상의 모든 동식물은 이상의 22가지 아미노산을 기본 구조로 이루어져 있다고 할 수 있습니다.

1806년 프랑스 화학자 루이 니콜라 보클랭(Louis-Nicolas Vauquelin)과 피에르 장 로비케(Pierre Jean Robiquet)는 아스파라거스에 한 가지 화합물을 분리하여 아스파라긴(asparagine)이라고 명명하였습니다. 이것은 최초로 발견된 아미노산이었습니다.

가장 긴 단백질로 알려진 성분은 타이틴(titin)으로 커넥틴(connectin)이라고도 합니다. 이 단백질은 26,926개 아미노산으로 이루어져 있습니다. 타이틴은 근육에서 발견되었고 근육의 저항성 및 수축성에 이바지하는 것으로 알려져 있습니다.

비교적 단순한 아미노산으로 이루어진 단백질이라도 매우 복잡한 분자 구성을 이룰 수 있습니다. 그 이유는 대부분의 단백질은 고유한 삼차원 구조로 접혀 있기 때문입니다.

생화학자들은 단백질의 구조를 크게 다음 네 가지로 분류하고 있습니다.

기본 구조: 선형 구조의 아미노산이 뼈와 함께 결합된 구조로 이것은 펩타이드 결합(peptide bond)이라고 합니다.
2차 구조: 국지적 또는 특별한 부분의 단백질이 삼차원 형태를 이루고 있는 구조. 이러한 국지적 구조는 꼬임 및 회전된 형태를 이루고 수소 원자와 결합하여 안정됩니다.
3차 구조: 단일 단백질 분자의 전체적인 형태. “접힘(fold)”이라는 용어와 같은 의미로 3차적 구조는 단백질의 기본 기능을 결정합니다.
4차 구조: 단일 단백질 복합체를 구성하는 몇 가지 단백질 분자(폴리펩타이드 사슬)로 형성된 구조. 이들은 일반적으로 단백질 서브유닛이라고 합니다.

단백질의 기능

단백질은 흔히 근육 조직을 구성하는 기본 단위로 잘 알려져 있습니다. 그 밖에도 단백질은 신체에 중요한 다양한 기능을 제공합니다. 그중 일부는 의외일 수도 있습니다. 다음은 단백질의 주요 기능입니다.

효소 및 호르몬

세포 내에서 가장 잘 알려진 단백질의 역할은 효소로 작용하여 화학 반응을 촉진하는 것입니다. 이것은 섭취한 식품을 세포 에너지로 환원하는 과정을 촉진합니다. 이와 같은 단백질의 좋은 예로는 소화 효소가 있습니다. 소화 효소는 또한 항산화 영양소 형태를 구성하기도 합니다. 셀레늄이 함유된 단백질은 글루타치온 과산화효소(glutathione peroxidase)는 인체에서 가장 중요한 항산화 영양소 화합물입니다.

인슐린 및 글루카곤(glucagon)과 같은 내분비 호르몬 또한 중요한 단백질입니다.

1955년, 인슐린은 처음으로 서열이 완전히 파악된 단백질이 되었습니다. 영국 생화학자 프레더릭 생어(Frederick Sanger)는 이 획기적인 연구를 인정받아 노벨 화학상을 수상하였습니다.

1978년에는 생명공학 회사 제넨테크(Genentech)는 합성 “인체” 인슐린을 생산할 수 있는 유전자 재조합 기술 개발에 성공하였고 인슐린은 생명공학 기술을 통해 최초로 제조된 인체 단백질이 되었습니다.

세포 신호 전달(cell signaling)

대부분 단백질은 세포 신호 전달 및 세포 내 신호 전달(cell signal transduction) 과정에 관여합니다. 인슐린과 같은 일부 단백질은 멀리 떨어져 있는 조직 내 세포에서 합성된 신호를 전송하는 기능이 있습니다.

단백질은 세포 신호 과정 모두에 관여합니다. 하나는 세포 내 수용체로써 세포 신호 분자와 결합하여 생화학 반응을 시작하게 합니다.

면역 체계와 관련된 항체는 이와 같은 단백질의 한 종류입니다. 항체의 주요 기능은 체내에 들어온 이물질(항원)에 결합하여 이들을 파괴할 수 있도록 겨냥할 수 있게 하는 것입니다.

구조적 단백질(structural protein)

이러한 단백질은 생물학적 구성 요소에 형태와 저항성 및 수축성 등을 제공합니다. 대부분 구조적 단백질은 섬유와 같은 성질을 띠고 있습니다.

콜라겐(collagen)과 엘라스틴(elastin)은 질긴 섬유와 같은 단백질의 좋은 예입니다. 이 두 가지 성분은 모두 연골과 같은 조직에 중요한 영양소입니다. 이들은 피부 조직을 구성하는 주요한 기능을 제공합니다. 단백질 케라틴(keratin)은 머리카락과 손톱을 구성하는 기능을 합니다. 동물의 경우, 케라틴은 깃털, 발굽과 함께 일부 동물의 경우에는 껍질을 구성하는 기능을 합니다.

마지막 구조적 단백질의 특징은 구형 기능입니다. 이러한 특징이 있는 단백질은 길고 단단한섬유로 형성되어 세포가 형태와 크기를 유지할 수 있게 해줍니다.

기타 단백질 기능

단백질은 또한 세포 접착, 성장 인자, 영양소 운반 및 저장 등에 중요한 역할을 합니다. 사람의 경우, 비단백질 아미노산 또한 신경 전달 물질이나 다른 분자에 대한 전구체로써 중요한 역할을 합니다. 신경 전달 물질은 신경 사이로 신경 충격이 전송될 수 있게 하는 분자입니다.

트립토판(tryptophan)은 기분 조절 등에 중요한 역할을 하는 신경 전달 물질인 세로토닌의 전구체입니다.
타이로신(tyrosine)과 이 성분의 전구체인 페닐알라닌(phenylalanine)은 도파민(dopamine), 에피네프린(epinephrine), 노르에피네프린(norepinephrine) 및 다양한 미량 아민(amine)의 전구체입니다.
글리신(glycine)은 포르피린(porphyrin) 또는 헴(heme)이라고 하는 혈액을 구성하는 중요한 화합물의 전구체입니다.
아르기닌(arginine)은 산화질소의 전구체입니다.

식사와 단백질 및 아미노산의 관계

섭취하는 단백질이 모두 우리 몸에 흡수되는 것은 아닙니다. 따라서 닭가슴살을 먹은 만큼 같은 양의 단백질을 섭취했다고 할 수는 없습니다. 단백질은 아미노산이나 펩타이드로 분해되어 소장에 흡수된 다음 혈액으로 운반됩니다.

펩타이드는 일반적으로 50개 이하의 아미노산으로 구성되므로 단백질과는 구분됩니다. 가장 짧은 펩타이드는 다이펩타이드로 두 개의 아미노산이 단일 펩타이드 결합을 이루어 형성됩니다. 폴리펩타이드는 길고 연속된 비분기 펩타이드 사슬입니다.

단백질의 소화는 위에서 시작됩니다. 위산과 위에서 분비된 효소인 펩신(pepsin)은 단백질을 변성시킵니다. 그 결과 췌장에서 분비된 소화 효소가 더욱 쉽게 단백질을 분해할 수 있게 됩니다.

기타 소화 효소들은 큰 펩타이드를 다이펩타이드와 트리펩타이드 및 유리 아미노산으로 소화를 계속 진행합니다. 이렇게 소화된 성분은 혈액 속에 분비되어 다른 조직에 공급됩니다. 소화 과정이 끝난 후, 아미노산은 단백질 및 기타 생체 분자를 합성하는 데 사용되거나 에너지 원천으로서 요소 및 이산화탄소로 전환됩니다.

20가지 표준 아미노산 중에서 아홉 개는 정상적인 성장에 필요한 농도를 다른 화합물을 통해 체내에서 생성할 수 없으므로 필수 아미노산이라고 합니다. 따라서, 이러한 아미노산은 식품으로 섭취해야만 합니다. 필수 아미노산에는 히스티딘(histidine), 아이소류신(isoleucine), 류신(leucine), 라이신(lysine), 메티오닌(methionine), 페닐알라닌(phenylalanine), 트레오닌(threonine), 트립토판(tryptophan) 및 발린(valine)이 포함됩니다.

단백질의 질

모든 식이 단백질이 건강에 같은 효과를 제공하지는 않습니다. 과학자들은 단백질의 질을 알려주는 기준을 개발하였습니다. 과거에 단백질의 질을 측정한 방식으로는 PER(단백질 효율성) 및 BV(단백질 생물가)가 있습니다. 그러나 이러한 방식은 현재 거의 사용되지 않고 있습니다.

현재 널리 사용되고 있는 단백질의 품질 측정 방식은 단백질 소화율 교정 아미노산 점수(PDCAAS)입니다. PDCAAS는 섭취하는 단백질 식품의 질을 평가하는 기준으로 사용될 수 있습니다. 이것은 가장 영양소가 많이 요구되는 연령대로 간주되는 2-5세 어린이에게 필요한 아미노산 요구(소화율에 따라 조정된 양)에 기초한 단백질의 질을 측정하는 방법입니다.

단백질의 등급은 PDCAAS를 기초로 표준 아미노산 프로필과 특정 식품에 함유된 단백질의 아미노산 프로필을 비교하여 결정됩니다. 최고 점수는 1.0입니다. 이 점수는 단백질을 소화했을 때, 섭취한 단백질 단위당 요구되는 필수 아미노산을 100% 이상 제공한다는 의미입니다.

단백질 섭취량

하루에 필요한 단백질 섭취량은 나이, 신체 구성, 성별, 총 에너지 섭취량(칼로리), 트레이닝 강도 및 운동선수의 경우 운동 수준 등을 포함한 다양한 요소에 따라 다를 수 있습니다.

한편, 단백질 섭취 권장량은 체중을 기초로 정해집니다. 건강한 성인의 경우 일일 권장량은 체중 1kg당 0.8g입니다. 따라서 체중이 68kg이고 운동을 거의 하지 않는 건강한 성인 여성이라면 하루 약 55g의 단백질을 섭취해야 합니다.

성인 여성에 대한 영양 권장량(RDA)은 하루 46g, 성인 남성은 하루 56g이며 임산부 및 수유 중인 여성은 하루 71g입니다. 영양 권장량이 권장 섭취량과 일치하지 않는 데는 이유가 있습니다.

미량 영양소 RDA와 마찬가지로 단백질 영양 권장량은 기본적으로 건강한 개인이 건강과 정상적인 성장을 유지하는 데 충분한 영양을 제공할 목적으로 정해집니다. RDA는 기본 영양 요구를 만족하는 데 필요한 최소 수준의 섭취량이므로 최적 또는 이상적 수준의 섭취량을 반영하는 것이라고는 할 수 없습니다.

운동선수를 위한 단백질

운동선수는 강도 높은 훈련이나 시합 후 골격근 및 결합 조직을 회복 및 재생하기 위해 식이 단백질을 섭취해야 합니다. 운동선수는 일반적으로 체중 1kg당 최소한 1.4g에서 2.0g의 단백질을 섭취해야 합니다.

특히 운동선수들에게 중요한 유형의 아미노산은 분지사슬아미노산(BCAA)입니다. 아홉 가지 필수 아미노산 중에서 세 가지만 BCAA인 것으로 알려져 있습니다. 이 아미노산은 근육 조직을 구성하는 단백질의 35%를 차지합니다. BCAA는 또한 유산소 운동 시 단백질 분해 속도를 늦추고 근육 글리코겐 결핍을 지연함으로써 혜택을 제공하는 것으로 알려져 있습니다.

이러한 역할을 하는 세 가지 BCAA는 류신(leucine), 아이소류신(isoleucine) 및 발린(valine)입니다. BCAA는 단백질 합성, 대사 회전, 세포 신호 전달 및 글루코스 대사에 중요한 역할을 합니다. 또한, 뇌에서 단백질 및 신경 전달 물질 합성 및 에너지 생산에 중요한 역할을 합니다.

점점 더 많은 과학 논문 연구 결과에 따르면 세 가지 BCAA 중에서도 류신이 단백질 합성 촉진에 가장 중요한 역할을 하는 것으로 여겨지고 있습니다.

노인을 위한 단백질

나이가 들수록 근육량은 줄어들게 됩니다. 정상적인 노화 과정에서 근육 단백질 대사에 변화가 발생하고 식사를 통해 섭취되는 아미노산 반응력이 감소합니다. 식사에서 류신(BCAA) 섭취량을 높이는 것은 이러한 근육 단백질 반응력 약화를 회복시키고 근육량이 과도하게 감소하는 것을 방지하는 데 유용할 수 있습니다. 이러한 혜택을 얻기 위해 최소한 섭취해야 하는 권장량은 식사당 류신 2.0-2.5g입니다.

또한, 류신을 양질의 단백질과 함께 섭취한 경우 BCAA만 보충 섭취한 경우보다 건강 혜택이 더욱 높은 것이 밝혀지고 있습니다. 나이가 들어서도 근육 단백질량과 류신 섭취량을 최대한 이상적으로 유지하려면, 식사 때마다 양질의 단백질 25-30g을 포함할 것을 권장합니다.

나이와 함께 근육량 손실이 발생할 수 있으나 정상적인 수준 이상(0.5-1.0%/년)의 근육 손실이 발생하는 증상은 사코페니아(sarcopenia), 근육 감소증이라고 합니다. 이것은 골격근 근육량이 점진적으로 감소하는 증상으로 근력 및 기능성의 약화를 초래합니다. 사코페니아는 만 60세 이상 성인에게는 30%, 만 80세 이상의 성인에게는 50%까지 발생합니다.

비건(vegan) 및 채식주의자

식물성 단백질은 그 자체만으로 건강한 근육 성장, 재생 및 기능을 유지하는 데 필요한 단백질을 충분히 제공할까요? 대답은 완전한 예스입니다.

그러나 많은 식물성 단백질은 같은 양을 섭취할 때 필수 아미노산을 이상적인 수준보다 적게 제공합니다. 따라서 비건주의자 또는 채식주의자인 분들은 콩, 견과류 및 씨앗류가 많이 포함된 다양한 식품을 섭취하는 것이 매우 중요합니다. 특히 다양하고 적절한 칼로리가 함유된 채식주의 식단은 양질의 단백질을 풍부하게 제공해줄 것입니다.

대체적인 권장량

현재까지 연구 결과에 따르면, 안전하고 건강한 단백질 섭취량은 대략 전체 섭취 칼로리의 15-25%가 적당한 것으로 여겨지며 운동 수준 및 나이에 따라 조정될 수 있습니다. 따라서 하루 평균 2,000cal를 섭취한다고 할 때, 섭취해야 하는 단백질의 양은 대략 75-125g이 됩니다.

식품 원천—올바른 단백질 선택

지방 및 탄수화물과 마찬가지로 단백질 또한 대량 영양소에 속합니다. 따라서 우리 몸은 많은 양의 단백질을 필요로 합니다. 그러나 지방 및 탄수화물과는 달리, 몸에서 이용되지 않은 단백질의 대부분은 저장되지 않습니다. 체내 아미노산은 계속해서 이용되고 적절히 재충전되어야만 합니다. 따라서 식사를 통해 단백질을 충분히 섭취하지 않는다면, 우리 몸은 근육에서 단백질을 흡수하게 됩니다.

단백질이풍부한 식품은 다양합니다. 일부 식품은 양질의 단백질을 제공하는 식품으로 권장될 수 있으나 일반적으로 다양한 식품을 골고루 섭취함으로써 우리 몸에 충분한 단백질을 제공할 수 있습니다. 무엇보다도 우리 몸에 중요한 영양소와 단백질을 충분히 제공해주는 양질의 자연식품을 주로 섭취하는 것이 좋습니다.

단백질 및 기타 영양소 함량에 따라 권장하는 단백질 식품은 다음과 같습니다: 해산물, 저지방 가금류, 달걀, 유제품(요구르트, 우유, 치즈), 대두 및 기타 콩류, 저지방 소고기, 저지방 돼지고기 등. 퀴노아, 호박씨 및 피스타치오 우수한 단백질 식품입니다.

단백질 섭취량을 만족하는 것이 어렵거나 제대로 식사할 시간이 부족하다면 어떻게 하는 것이 좋을까요? 양질의 단백질이 함유된 식사 대용 식품이나 단백질 보충 제품을 먹는 것도 단백질 섭취량을 보충하는 방법일 수 있습니다.

단백질에 관한 추가 정보

건강하고 수분을 적절히 섭취하는 성인이라면 단백질 과다 섭취로 인해 신장이 손상되는 경우는 없습니다.
식물 단백질과 관련하여 사용되는 “완전” 및 “불완전”이라는 용어는 잘못 사용된 것입니다. 충분한 칼로리와 함께 다양한 식물성 단백질을 섭취하면 필수 아미노산을 모두 충분히 제공할 수 있습니다.
단백질은 탄수화물과 마찬가지로 1g당 대략 4cal의 에너지를 제공합니다. 지방은 1g당 9cal를 제공하고 알코올은 1g당 7cal를 제공합니다.
단백질은 성장 및 재생에 우선적으로 이용됩니다. 그 다음 남은 단백질은 에너지원으로 이용됩니다. 이러한 기능에 이용되지 않은 단백질은 지방으로 전환되어 저장됩니다.
탄수화물만이 인슐린 분비를 촉진하는 영양소는 아닙니다. 단백질 또한 인슐린 분비를 촉진할 수 있으나 그 수준은 낮은 편이고 혈당 수치를 높이지 않고 작용합니다.
단백질은 지방 또는 탄수화물보다 쉽게 만족감을 제공합니다. 일부 연구에 따르면 단백질 섭취량을 약간 높이고 혈당 지수를 조금 낮추면 건강한 체중 달성 및 유지에 큰 도움이 될 수 있는 것으로 나타났습니다.