단백질 마스터하기: 구조, 기능, 대사 및 질환

단백질 (Protein): 생명의 주춧돌

단백질은 $\text{C, H, O}$ 외에 질소(N)를 필수적으로 함유하고 있는 유일한 3대 영양소입니다. 아미노산이 펩티드 결합으로 이어진 고분자 구조를 형성하며, 효소, 호르몬, 항체 등 생명 유지에 필수적인 기능을 수행합니다.

1. 단백질의 4단계 구조와 아미노산

단백질의 기능은 그 구조에 의해 결정됩니다. 아미노산의 배열(1차)부터 복합적인 폴리펩티드 집합체(4차)까지, 단계를 밟으며 복잡성을 더해가는 구조를 확인하세요.

1차 구조 (Primary Structure)

아미노산이 펩티드 결합으로 순서대로 배열된 선형 사슬을 의미합니다. 이 배열 순서가 단백질의 모든 특성을 결정합니다.

예시: (A) $\text{1}$차 구조 (폴리펩티드 사슬)

아미노산 분류: 필수 (9종) vs 불필수 (11종)

필수 아미노산 (Essential, 9종):

이소루이신 루신 리신 메티오닌 페닐알라닌 트레오닌 트립토판 발린 히스티딘

불필수 아미노산 (Non-Essential, 11종):

알라닌 아르기닌 아스파라긴 아스파르트산 시스테인 글루탐산 글루타민 글리신 프롤린 세린 티로신

필수 아미노산은 체내에서 합성되지 않거나 합성 속도가 느려 반드시 식품으로 섭취해야 합니다.

2. 단백질의 다면적 기능 및 질 평가

단백질은 체내에서 단순히 구조물을 만드는 것을 넘어, 생명의 역동적인 조절에 관여합니다.

주요 생체 기능 (7가지)

  • 효소: 트립신, 펩신, 리파아제 등 신진대사와 소화의 반응 속도를 증가 (촉매).
  • 운반 단백질: 헤모글로빈 (산소 운반), 지단백질 (지질 운반).
  • 구조 단백질: 콜라겐 (결합 조직), 케라틴 (모발, 손톱), 엘라스틴 (인대).
  • 방어 단백질: 항체/면역 글로불린 (면역 작용), 피브리노겐 (혈액 응고).
  • 조절 단백질: 호르몬 (인슐린, 글루카곤)을 통해 생체 기능 조절.
  • 운동 단백질: 미오신, 액틴 (근육 수축 운동).
  • 영양 단백질: 계란 알부민, 우유 카제인 등.

단백질 질 (Protein Quality) 평가 기준

1. 단백질 효율비 (PER)

$$\text{PER} = \frac{\text{일정한 사육기간 동안 성장 쥐의 체중 증가량}(\text{g})}{\text{일정한 사육기간 동안 단백질 섭취량}(\text{g})}$$

미국 $\text{FDA}$에서 조제분유 식품표시 기준으로 사용됩니다.

2. 생물가 (BV)

$$\text{BV} = \frac{\text{보유된 질소량}}{\text{흡수된 질소량}} \times 100$$

흡수된 단백질이 체단백질로 전환된 정도를 평가합니다.

3. 질소 실이용률 (NPU)

$$\text{NPU} = \frac{\text{보유된 질소량}}{\text{섭취된 질소량}} \times 100$$

소화흡수율까지 고려한 평가입니다. $\text{NPU} = \text{BV} \times \text{소화흡수율}$.

3. 요소 회로 (Urea Cycle): 암모니아 해독

단백질 대사 결과물인 유독한 암모니아 ($\text{NH}_3$)는 간에서 요소 회로를 거쳐 무해한 요소 ($\text{Urea}$)로 전환되어 신장을 통해 배설됩니다. 카드를 클릭하여 5단계 과정을 확인하세요.

요소 회로 (Ornithine Cycle) 5단계

(1) $\text{Carbamoyl phosphate}$ 합성 [클릭]
↓
(2) $\text{L-Citrulline}$ 형성 및 이동 [클릭]
↓
$\text{Argininosuccinate}$를 생성합니다. ($\text{ATP}$ 소모)”>

(3) $\text{Argininosuccinate}$ 합성 [클릭]

↓
$\text{L-Arginine}$이 생성됩니다. $\text{Fumarate}$는 $\text{TCA}$ 회로로 유입됩니다.”>

(4) $\text{L-Arginine}$ 형성 [클릭]

↓
(5) 요소 ($\text{Urea}$) 생성 및 배설 [클릭]

4. 단백질 결핍 및 선천성 대사 질환

단백질이나 특정 아미노산 대사에 문제가 생기면 심각한 영양 결핍 또는 선천성 대사 질환이 발생할 수 있습니다.

단백질-열량 결핍증 (PEM)

마라스무스 (Marasmus)

  • 에너지와 단백질 모두 부족.
  • 체지방이 거의 없는 상태.
  • 주로 아프리카 어린이에게 발생.

콰시오카 (Kwashiokor)

  • 주로 단백질 결핍.
  • 면역 저하, 부종 (복부 팽만), 허약 증세.
  • 이유기 어린이에게 흔함.

선천성 대사 질환: 페닐케톤뇨증 (PKU)

간의 $\text{phenylalanine hydroxylase}$ 효소 결핍으로 $\text{phenylalanine}$이 $\text{tyrosine}$으로 전환되지 못하고 체내 축적됩니다.

조기 치료 (특수 분유, $\text{phenylalanine}$ 제한) 없이는 뇌 손상 및 정신 지진을 초래할 수 있습니다.

5. 식품별 단백질 함량 (가식부 $\text{100g}$당)

식품군 식품명 단백질 함량 ($\text{g}$)
어육류 및 난류닭고기19.8
고등어20.2
가자미22.1
쇠고기18.8
검정콩 (말린것)34.7
계란12.5
두류노란콩 (말린것)36.2
땅콩 (말린것)24.8
된장11.9
두부8.4
유제품가공치즈18.3
우유2.9
요구르트 (효상)3.2

참고: 말린 콩류는 $\text{100g}$당 단백질 함량이 매우 높으나, 실제 섭취량은 조리 후 수분을 포함한 상태로 달라집니다.