들어가며
단백질은 우리 인체 내의 "일꾼"으로서 많은 기능에 관여합니다. 단백질은 다양한 크기와 모양으로 존재하며 각 단백질은 특정 기능에 맞게 특별히 구조화되어 있습니다.
오늘은 단백질이란 무엇이며, 그 기능과 역할은 무엇인지에 대해 알아보는 시간을 가져보려고 합니다.
단백질이란?
단백질은 인체의 약 20%를 구성하며 모든 세포에 존재합니다. 단백질이라는 단어는 그리스어로 "첫 번째 자리", 즉 매우 중요한 위치라는 의미를 가지고 있습니다. 단백질은 우리 인체에 구조를 제공하고 다양한 기능을 수행하기 때문에 생명의 원동력이라고도 불립니다. 단백질이 풍부한 근육 덕분에 우리가 서고, 걷고, 달릴 수 있으며, 스케이트를 타거나 수영 등을 할 수 있습니다. 단백질은 적절한 면역 체계 기능, 소화, 모발 및 손발톱 성장에 필요하며 그 밖에도 수많은 인체 기능에 관여합니다. 실제로 인체에는 10만 가지가 넘는 단백질이 존재하는 것으로 추정된다고 합니다.
단백질은 아미노산으로 구성된 거대 분자입니다. 아미노산은 일반적으로 단백질의 구성 요소라고 불립니다. 단백질은 영양 공급, 재생, 생명 유지에 필수적인 영양소입니다. 단백질은 탄수화물과 지질과 마찬가지로 탄소, 수소, 산소 원소를 포함하고 있지만 단백질은 질소를 포함하는 유일한 다량영양소입니다. 각 아미노산에서 원소는 탄소 중심을 중심으로 특정 형태로 배열되어 있습니다. 각 아미노산은 중심 탄소 원자가 곁사슬에 연결된 수소, 질소 함유 아미노기, 카르복실기로 구성되며, 따라서 "아미노산"이라는 이름이 붙었습니다.
아미노산은 20가지의 종류(필수 아미노산 9종 + 비필수 아미노산 11종)가 있는데, 모두 공통적으로 아래의 그림에서 처럼 4가지 원소로 구성되어 있습니다. 탄소 중심 주위의 원소 배열은 모든 아미노산에서 동일하며, 탄소 중심에 어떤 특정 측쇄(곁사슬 R)가 결합되어 있는지에 따라 서로 다릅니다.
위와 같은 아미노산 간의 결합을 펩타이드 결합이라고 하고, 이러한 펩타이드 결합에 의해 수 많은 아미노산이 사슬모양을 이루고 있는 것을 폴리펩타이드 결합이라고 합니다. 그리고, 폴리펩타이드가 구부러지고 겹쳐져 독특한 입체 구조(3차 구조 이상)를 가지고 있는 것을 단백질이라고 합니다.
앞서 설명한 바와 같이 인체에는 10만 가지가 넘는 다양한 단백질이 존재합니다. 20가지 유형의 자연 발생 아미노산이 고유한 서열로 결합하여 폴리펩타이드를 형성하기 때문에 다양한 단백질이 만들어지는 것입니다.
또한 단백질은 다양한 크기로 존재합니다. 혈당을 조절하는 호르몬 인슐린은 51개의 아미노산으로만 구성되어 있는 반면, 세포 사이에서 접착제 역할을 하는 단백질인 콜라겐은 1,000개 이상의 아미노산으로 구성되어 있습니다. 티틴은 알려진 단백질 중 가장 큰 단백질입니다. 근육의 탄력을 담당하며 2만 5천개 이상의 아미노산으로 구성되어 있습니다.
단백질의 풍부한 변형은 형성될 수 있는 아미노산 서열의 수가 끝없이 많기 때문입니다. 단 20개의 아미노산으로 얼마나 다양한 단백질이 설계될 수 있는지 비교하려면 음악을 생각해 보면 됩니다. 세상에 존재하는 모든 음악은 C, D, E, F, G, A, B의 7가지 음표와 그 변형으로 이루어진 기본 세트에서 파생되었습니다. 그 결과, 이러한 기본 음표의 특정 시퀀스로 구성된 방대한 음악과 노래가 존재합니다. 마찬가지로 20개의 아미노산은 7개의 음표가 노래를 만드는 것보다 훨씬 더 많은 수의 서열로 서로 연결될 수 있습니다. 그 결과, 생성할 수 있는 아미노산 서열의 변형과 잠재적 변형이 엄청나게 많습니다.
단백질의 기능과 역할
아래에서는 단백질의 기능과 역할을 구조와 동작 → 효소 → 호르몬 → 체액과 산-염기 균형 → 수송과 운반 → 보호 → 상처 치유와 조직재생 → 에너지 생산 순으로 간략히 알아보겠습니다.
구조와 동작
인체에는 100가지가 넘는 다양한 구조의 단백질이 발견되었지만, 가장 풍부한 단백질은 전체 체중의 약 6%를 차지하는 콜라겐입니다. 콜라겐은 뼈 조직의 30%를 구성하며 힘줄, 인대, 연골, 피부, 근육을 다량으로 구성합니다.
콜라겐은 대부분 글리신과 프롤린으로 구성된 강력한 섬유질 단백질입니다. 콜라겐의 4중 구조는 세 개의 펩타이드 가닥이 밧줄처럼 서로 꼬여 있고, 이 콜라겐 밧줄이 서로 겹쳐져 있습니다. 이 고도로 질서 정연한 구조는 같은 크기의 강철 섬유보다 훨씬 더 강합니다. 콜라겐은 뼈를 튼튼하면서도 유연하게 만듭니다.
피부 진피에 있는 콜라겐 섬유는 피부에 구조를 제공하고, 함께 있는 엘라스틴 단백질 섬유는 피부를 유연하게 만듭니다. 손으로 피부를 꼬집었다가 놓으면 피부 속 콜라겐과 엘라스틴 단백질이 원래의 모양으로 돌아갑니다. 콜라겐과 엘라스틴 단백질을 분비하는 평활근 세포는 혈관을 둘러싸고 있어 혈관에 구조와 혈액이 펌핑된 후 다시 늘어날 수 있는 능력을 제공합니다. 또 다른 강력한 섬유질 단백질은 피부, 머리카락, 손톱의 구성 성분인 케라틴입니다. 힘줄과 인대에 촘촘히 들어 있는 콜라겐 섬유소는 뼈와 근육의 기계적 움직임을 동시에 가능하게 하고, 움직임이 끝난 후 조직이 다시 튀어 오르는 능력을 발휘합니다.
효소
단백질은 뼈와 같은 결합 조직에서 가장 많이 발견되지만, 단백질의 가장 특별한 기능은 효소입니다.
효소는 특정 화학 반응을 수행하는 단백질입니다. 효소의 역할은 화학 반응을 위한 장소를 제공하고 화학 반응이 일어나는 데 걸리는 에너지와 시간을 줄이는 것이며, 이것을 "촉매 작용(catalysis)“이라고 합니다.
평균적으로 세포에서는 매초 100건 이상의 화학 반응이 일어나며, 대부분의 화학 반응에는 효소가 필요합니다. 간에만 1,000개 이상의 효소 시스템이 존재합니다. 효소는 특정 키로만 자물쇠를 열 수 있는 것과 마찬가지로 특정 활성 부위에 맞는 특정 기질만 사용합니다. 거의 모든 화학 반응에는 특정 효소가 필요합니다.
위와 소장에서의 영양소 분해, 영양소를 세포가 사용할 수 있는 분자로 변환하는 것, 단백질을 포함한 모든 거대 분자를 만드는 것 등 모든 신체 기능에는 효소가 관여합니다.
호르몬
단백질은 호르몬 합성을 담당합니다. 호르몬은 내분비선에서 생성되는 화학적 메시지입니다.
내분비선이 자극을 받으면 호르몬이 분비됩니다. 그런 다음 호르몬은 혈액을 통해 표적 세포로 운반되어 특정 반응이나 세포 과정을 시작하라는 메시지를 전달합니다.
예를 들어, 식사를 하면 혈당 수치가 상승합니다. 증가된 혈당에 반응하여 췌장은 인슐린 호르몬을 방출합니다. 인슐린은 신체 세포에 포도당을 사용할 수 있음을 알리고 혈액에서 포도당을 흡수하여 저장하거나 에너지를 만들거나 거대 분자를 만드는 데 사용하도록 지시합니다.
호르몬의 주요 기능은 효소를 켜고 끄는 것이므로 일부 단백질은 다른 단백질의 작용을 조절할 수도 있습니다. 모든 호르몬이 단백질로 만들어지는 것은 아니지만, 많은 호르몬이 단백질로 만들어집니다.
체액과 산-염기 균형
적절한 단백질 섭취는 변화하는 환경에서도 신체의 기본적인 생물학적 과정이 현상 유지를 할 수 있도록 도와줍니다.
체액 균형이란 체내 수분 분포를 유지하는 것을 말합니다. 혈액 내 수분이 갑자기 조직으로 너무 많이 이동하면 그 결과 부종이 발생하고 세포가 사멸할 수 있습니다. 물은 항상 농도가 높은 영역에서 농도가 낮은 영역으로 흐릅니다. 결과적으로 물은 단백질이나 포도당과 같은 다른 용질의 농도가 더 높은 영역으로 이동합니다. 혈액과 세포 사이에 수분이 고르게 분포되도록 유지하기 위해 단백질은 혈액에서 고농도로 지속적으로 순환합니다. 혈액에 가장 풍부한 단백질은 알부민으로 알려진 나비 모양의 단백질입니다. 알부민이 혈액에 존재하면 혈액의 단백질 농도가 세포의 농도와 비슷해집니다. 따라서 혈액과 세포 사이의 체액 교환은 극단적으로 이루어지지 않고 현상 유지를 위해 최소화됩니다.
단백질은 또한 혈액의 적절한 pH 균형(물질의 산성 또는 염기성 정도를 나타내는 척도)을 유지하는 데 필수적입니다. 혈액 pH는 약염기성인 7.35~7.45 사이로 유지됩니다. 혈중 pH가 조금만 변해도 신체 기능에 영향을 미칠 수 있습니다. 산성 상태는 단백질 변성을 유발하여 단백질의 기능을 멈추게 할 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 신체에는 이러한 일이 발생하지 않도록 혈액 pH를 정상 범위 내로 유지하는 여러 시스템이 있습니다. 그중 하나가 순환하는 알부민입니다. 알부민은 약산성이며 음전하를 띠기 때문에 혈액을 순환하는 양성자(H+), 칼슘, 칼륨, 마그네슘과 같은 많은 양전하를 띠는 분자와 균형을 맞추는 역할을 합니다. 알부민은 이러한 분자의 농도가 급격하게 변하지 않도록 완충제 역할을 하여 혈액 pH의 균형을 맞추고 현상 유지를 유지합니다. 단백질 헤모글로빈도 양성자와 결합하고 방출하여 산-염기 균형에 관여합니다.
수송, 운반
알부민과 헤모글로빈은 분자 수송에도 중요한 역할을 합니다.
알부민은 호르몬, 지방산, 일부 비타민, 필수 미네랄 및 약물에 화학적으로 결합하여 순환계 전체로 운반합니다.
각 적혈구에는 수백만 개의 헤모글로빈 분자가 포함되어 있어 폐에서 산소와 결합하여 신체의 모든 조직으로 산소를 운반합니다.
세포의 원형질막은 일반적으로 큰 극성 분자를 투과하지 못하기 때문에 필요한 영양소와 분자를 세포로 전달하기 위해 세포막에 많은 수송 단백질이 존재합니다. 이러한 단백질 중 일부는 특정 분자가 세포 안팎으로 이동할 수 있도록 하는 통로 역할을 합니다. 다른 단백질은 편도 택시 역할을 하며 기능을 수행하기 위해 에너지가 필요합니다.
보호
항체 단백질은 두 개의 무거운 사슬과 두 개의 가벼운 사슬로 구성됩니다. 항체마다 다른 가변 영역은 항체가 일치하는 항원을 인식할 수 있게 해줍니다.
앞서 피부의 강력한 콜라겐 섬유가 피부의 구조와 지지력을 제공한다고 설명했습니다. 피부의 촘촘한 콜라겐 섬유 네트워크는 유해 물질에 대한 방어벽 역할도 합니다. 면역 체계의 공격 및 파괴 기능은 단백질인 효소와 항체에 의존합니다. 리소자임이라는 효소는 타액에서 분비되어 박테리아의 벽을 공격하여 파열을 일으킵니다.
혈액을 순환하는 특정 단백질은 외부 침입자의 세포막을 찌르는 분자 칼을 만들도록 지시할 수 있습니다. 백혈구가 분비하는 항체는 순환계 전체를 조사하여 유해한 박테리아와 바이러스를 찾아 파괴합니다. 항체는 또한 면역 체계의 다른 인자를 촉발하여 원치 않는 침입자를 찾아 파괴합니다.
상처 치유와 조직 재생
단백질은 염증, 증식 및 리모델링의 세 단계로 진행되는 상처 치유의 모든 측면에 관여합니다.
예를 들어 바느질을 하다가 바늘에 손가락을 찔렸다면 살이 빨갛게 변하고 염증이 생길 것입니다. 몇 초 안에 출혈이 멈출 것입니다. 치유 과정은 부상 부위의 혈관을 확장하는 브라디키닌과 같은 단백질로 시작됩니다. 피브린이라는 추가 단백질은 출혈을 멈추기 위해 혈전을 형성하는 혈소판을 보호하는 데 도움이 됩니다. 다음으로 증식 단계에서는 세포가 이동하여 새로 만들어진 콜라겐 섬유를 설치하여 손상된 조직을 치료합니다. 콜라겐 섬유는 상처 가장자리를 서로 끌어당기는 데 도움이 됩니다. 리모델링 단계에서는 더 많은 콜라겐이 침착되어 흉터를 형성합니다. 흉터 조직은 다치지 않은 정상 조직의 약 80%만 기능합니다. 식단에 단백질이 부족하면 상처 치유 과정이 현저하게 느려집니다.
상처 치유는 부상을 입은 후에만 일어나지만, 인체내에서는 조직 재생이라는 다른 과정이 진행됩니다. 상처 치유와 조직 재생의 주요 차이점은 손실된 조직의 정확한 구조적, 기능적 사본을 재생하는 과정에 있습니다. 오래되고 죽어가는 조직은 흉터 조직으로 대체되는 것이 아니라 완전히 새로운 기능의 조직으로 대체됩니다.
피부, 모발, 손톱, 장 세포와 같은 일부 세포는 재생 속도가 매우 빠른 반면, 심장 근육 세포와 신경 세포와 같은 일부 세포는 재생 속도가 눈에 띄지 않습니다. 조직 재생은 새로운 세포의 생성(세포 분열)이며, 여기에는 RNA와 단백질을 합성하는 효소, 수송 단백질, 호르몬, 콜라겐을 비롯한 다양한 단백질이 필요합니다.
모낭에서는 세포가 분열하고 모발의 길이가 자랍니다. 머리카락은 한 달에 평균 1센티미터, 손톱은 100일마다 약 1센티미터씩 자랍니다. 장을 감싸고 있는 세포는 3~5일마다 재생됩니다. 단백질이 부족한 식단은 조직 재생을 저해하여 영양소 소화 및 흡수 장애, 가장 눈에 띄는 모발 및 손톱 성장 장애를 비롯한 많은 건강 문제를 유발합니다.
에너지 생산
단백질의 일부 아미노산은 분해되어 에너지를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
매일 섭취하는 식이 단백질의 약 10%만이 세포 에너지를 만들기 위해 이화 작용을 합니다. 간은 아미노산을 탄소 골격으로 분해하여 구연산 순환에 공급할 수 있습니다. 이는 포도당이 ATP를 만드는 데 사용되는 방식과 유사합니다.
식단에 탄수화물과 지방이 충분하지 않으면 신체는 에너지를 만들기 위해 더 많은 아미노산을 사용하게 되고, 이는 새로운 단백질의 합성을 저해하고 근육 단백질을 파괴합니다. 또는 식단에 신체에 필요한 것보다 더 많은 단백질이 포함되어 있으면 여분의 아미노산이 분해되어 지방으로 전환됩니다.
마무리 하며
앞서 단백질의 영문 표기인 "Protein"이 그리스어에서 "첫 번째 자리"라는 의미의 "Proteios"에서 왔다고 했습니다. 공부를 하면서 이 단어의 의미를 다시한번 생각하는 시간이 되었던 것 같습니다.
그 동안 단백질 식단에 대해 큰 관심이 없었는데, 나이가 들어갈 수록 식단에 단백질이 부족하지 않도록 더욱더 주의를 기울여야 겠다는 다짐을 하게 되었습니다.
아무쪼록 이 글이 많은 분들에게 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠습니다.