필수 아미노산

3. 필수 아미노산의 생합성 및 상호 전환

진핵생물은 다른 기질로부터 일부 아미노산을 합성할 수 있다. 필수 아미노산과 비필수 아미노산의 구분은 다소 불분명한데, 어떤 아미노산은 다른 아미노산으로부터 생성될 수 있기 때문이다. 황 함유 아미노산인 메티오닌과 호모시스테인은 서로 전환될 수 있지만, 둘 다 사람에서 신생합성되지 않는다. 마찬가지로 시스테인은 호모시스테인으로부터 생성될 수 있지만 자체적으로 합성할 수는 없다. 따라서 편의상 황 함유 아미노산은 방향족 아미노산 쌍인 페닐알라닌 및 티로신과 마찬가지로 영양학적으로 동등한 아미노산의 단일 풀로 간주되기도 한다. 마찬가지로 요소 회로에 의해 상호전환이 가능한 아르기닌, 오르니틴, 시트룰린은 단일 풀로 간주된다.^[35][36]

비필수 아미노산은 체내에서 생성된다. 비필수 아미노산 합성 경로는 기본적인 대사 경로에서 유래한다. 글루탐산 탈수소효소는 α-케토글루타르산의 환원적 아미노화를 촉매하여 글루탐산을 생성한다. 대부분의 아미노산 합성에는 전이반응이 일어난다. 이 단계에서 아미노산의 키랄성이 결정된다. 알라닌과 아스파르트산은 각각 피루브산과 옥살로아세트산의 전이반응에 의해 합성된다. 글루타민은 NH₄⁺와 글루탐산으로부터 합성되고, 아스파라긴도 유사하게 합성된다. 프롤린과 아르기닌은 모두 글루탐산에서 유래한다. 해당과정에서 유래하는 3-포스포글리세르산으로부터 생성되는 세린은 글리신과 시스테인의 전구체이다. 티로신은 필수 아미노산인 페닐알라닌의 수산화 반응에 의해 합성된다.

히스티딘의 생합성은 포스포리보실 ATP로부터 4단계 반응을 거쳐 이미다졸글리세롤인산이 되고, 다시 5단계 반응을 거쳐 히스티딘이 되는 경로이지만, 이 경로에서는 글루타민을 중간 원료로 소비하며, 히스티딘 1몰을 생성하기 위해 42몰의 ATP를 소비한다. 따라서 히스티딘은 인체 내에서 생합성이 느리기 때문에, 국제연합식량농업기구(FAO)와 세계보건기구(WHO)는 1985년에 이를 필수 아미노산으로 규정하고 있다.^[27] 또한, 빠르게 성장하는 유아의 경우 생합성만으로는 부족할 가능성이 있으므로, 식사를 통해 공급하는 것이 바람직한 아미노산이다.

아르기닌도 체내에서 합성되며, 성인의 경우 비필수 아미노산이지만, 성장이 빠른 유아기에는 체내 합성량이 충분하지 않아 부족하기 쉽기 때문에, 아르기닌과 히스티딘은 준필수 아미노산이라고 불린다.^[28] 같은 이유로 시스테인과 티로신도 준필수 아미노산으로 취급되는 경우가 있다.

4. 일일 권장 섭취량

필수 아미노산의 일일 권장 섭취량은 지난 20년간 여러 차례 수정되어 왔기 때문에 정확한 섭취량을 추정하기 어렵다.^[39][38] 다음은 세계보건기구(WHO)와 미국에서 현재 사용 중인 성인의 필수 아미노산 일일 권장량이다.^[39][38]

3세 이상의 어린이는 성인보다 10~20% 더 많은 양을 섭취해야 하며, 영유아는 생후 첫 해에 최대 150% 더 많이 섭취해야 할 수 있다.^[39][40] 시스테인(또는 황 함유 아미노산), 티로신(또는 방향족 아미노산) 및 아르기닌은 유아와 성장기 어린이에게 항상 필요하다.^[39][40]

WHO에서 제시하는 성인의 체중에 따른 1일 필수 아미노산 권장 섭취량은 다음과 같다.^[29]

5. 단백질 공급원과 아미노산 조성

완전 단백질은 사람에게 필요한 필수 아미노산을 균형 있게 포함하고 있으며, 천연 동물성 식품은 모든 필수 아미노산을 제공한다.^[42] 퀴노아와 같이 일부 식물성 식품에서도 거의 완전한 단백질을 찾을 수 있다.^[43]

식품에서 순단백질 이용률은 제한 아미노산(해당 식품에서 가장 적은 양으로 발견되는 필수 아미노산)에 의해 크게 영향을 받는다. 따라서 필수 아미노산의 분포가 다른 식품들을 혼합하는 것이 좋다.

역사적으로 아미노산 요구량은 식이 질소 섭취량과 배설되는 질소의 균형을 계산하여 결정되었다. 섭취한 질소보다 배설되는 질소가 많으면 양성 균형, 반대로 배설되는 질소가 섭취한 질소보다 많으면 음성 질소 균형이 발생한다. 일리노이 대학교 대학원생들은 인공 식단을 통해 질소 균형을 연구하여 필수 아미노산을 판별했다.^[25][17]

현대 기술은 이온 교환 크로마토그래피를 사용하여 식품의 실제 아미노산 함량을 결정한다. 미국 농무부(USDA)는 이 기술을 사용하여 7793개 식품의 아미노산 함량을 분석하고 2018년에 데이터베이스를 공개했다.^[18]

제한 아미노산은 인체의 요구량에 따라 달라지며, 세계보건기구(WHO)^[13]와 미국 농무부(USDA)^[11]에서 제시하는 두 가지 인체 요구량 기준이 있다.

5. 1. 단백질 질 평가

아미노산 분포 프로필은 동물성 식품이 식물성 식품보다 최적화되어 있다.^[44][45] 그러나 합리적으로 다양한 식단이 유지되는 한, 완전 단백질을 함유한 식물성 식품을 섭취할 필요는 없다.^[46] 다양한 식물성 식품의 조합은 완전 단백질 프로필을 제공할 수 있다. 옥수수, 콩 또는 콩, 쌀과 같은 특정 전통적인 식품의 조합에는 사람에게 필요한 필수 아미노산이 적당량 포함되어 있다.^[47] 미국 영양 및 식이요법 학회의 공식 입장은 하루 중에 섭취하는 다양한 식물성 식품의 적절한 조합으로부터 얻은 단백질이 칼로리 요구 조건을 충족할 시 영양적으로 적절할 수 있다는 것이다.^[46]

단백질의 "질" 또는 "가치"를 표현하기 위한 다양한 시도가 있어 왔다. 측정값에는 생물가, 순단백질 이용률, 단백질 효율, 단백질 소화율 보정 아미노산 점수, 완전 단백질과 같은 개념이 포함된다. 이러한 개념은 축산업에서 중요한데, 동물 사료에 한 가지 이상의 필수 아미노산이 상대적으로 부족하면 생장과 사료 전환율에 제한적인 영향을 미치기 때문이다. 따라서 순단백질 이용률을 증가시키기 위해 다양한 사료를 함께 공급하거나 개별 아미노산(메티오닌, 리신, 트레오닌, 트립토판)을 사료에 첨가할 수 있다.

필수 아미노산은 모든 종류를 균형 있게 섭취해야만 효율적으로 이용될 수 있다. 이는 “아미노산의 통”이라는 비유로 설명되곤 한다. 9종류의 필수 아미노산 중 가장 함량이 적은 아미노산을 가장 낮은 통의 널빤지에 비유하여, 아무리 가득 채우려고 해도 거기서 물이 새어 나간다는 것, 즉 아미노산의 함량 균형이 좋지 않다는 것을 의미한다. 필수 아미노산을 균형 있게 함유한 식품일수록 점수가 높다고 표현된다. 식품이 아닌 식사라는 관점에서 보면 하루 동안 섭취하는 식품 속 아미노산의 총량에서 균형이 맞춰지면 된다. 곡물과 콩은 단독으로는 균형이 좋지 않지만, 곡물은 트립토판과 메티오닌이 많고 콩은 이소류신과 리신이 많아 서로 보완할 수 있기 때문에 조합을 통해 균형을 맞출 수 있다.

일본에서 사용되어 온 필수 아미노산의 균형을 나타내는 점수는 세 가지가 있다. 1957년의 단백질 점수(프로테인 스코어)(프로테인スコア), 1973년판 아미노산 점수, 1985년판 아미노산 점수이다.

단백질 점수(프로테인 스코어)는 1957년에 FAO가 단백질 필요량의 국제적 기준으로 처음 발표한 것으로, 여러 차례 수정되기 이전의 오래된 점수이다. 세계보건기구(WHO)와 FAO가 1973년에 발표한 아미노산 점수는 1982년(쇼와 57년) 『일본 식품 표준 성분표』 제4차 개정^[31]에서 채택되었다. 1985년판 아미노산 점수는 WHO/FAO/UNU 세 기관이 발표한 것으로, 1989년 FAO/WHO 합동 전문가 회의에서 타당하다고 인정되어 현재 널리 사용되고 있다.^[32] 2000년의 『일본 식품 표준 성분표』 제5차 개정판도 이것을 채택하고 있다. 1973년판과 1985년판의 큰 차이점은 대두의 아미노산 점수를 전자는 86, 후자는 100으로 하고 있다는 점이다. 미국의 미국 식품의약국(FDA)에서는 소화 흡수율을 더 고려한 PDCAAS가 채택되고 있다.

5. 2. 칼로리당 단백질

동물성 식품은 식물성 식품보다 아미노산 구성이 더 최적화되어 있다.^[44][45] 그러나 다양한 식단을 유지한다면 완전 단백질을 함유한 식물성 식품을 굳이 섭취할 필요는 없다.^[46] 다양한 식물성 식품을 조합하면 완전 단백질 구성을 얻을 수 있다. 옥수수와 콩, 콩과 쌀처럼 전통적인 식품 조합은 인체에 필요한 필수 아미노산을 적절히 제공한다.^[47] 미국 영양 및 식이요법 학회는 하루 동안 섭취하는 다양한 식물성 식품의 조합으로 칼로리 요구량을 충족하면 영양학적으로 충분하다고 발표했다.^[46]

식품의 단백질 함량은 보통 1회 제공량당 단백질로 표시되며, 칼로리당 단백질로 표시되는 경우는 드물다. 예를 들어 미국 농무부는 큰 계란 하나(50g)에 단백질 6g이 들어 있다고 표시하며, 칼로리당 84mg(총 71칼로리)으로 표시하지 않는다.^[48] 반면, 생 브로콜리 1회 제공량(100g)에는 단백질 2.8g(칼로리당 82mg, 총 34칼로리)이 들어 있다.^[49] 계란은 100g당 단백질 12.5g을 함유하지만, 칼로리당 단백질은 브로콜리보다 4mg 더 많다.^[50] 건강한 단백질 섭취를 위해서는 하루에 3kg 이상의 브로콜리를 섭취해야 하며, 충분한 칼로리 섭취를 위해서는 거의 6kg을 섭취해야 한다.^[49] 성인은 하루 2,000칼로리의 10~35%를 단백질로 섭취하는 것이 권장된다.^[51]

필수 아미노산은 균형 있게 섭취해야 효율적으로 이용될 수 있다. 이는 "아미노산의 통"이라는 비유로 설명되곤 한다. 9가지 필수 아미노산 중 가장 적게 함유된 아미노산을 가장 낮은 통 널빤지에 비유하여, 다른 아미노산이 아무리 많아도 물이 새는 것처럼 아미노산 균형이 깨진다는 의미이다. 필수 아미노산이 균형 있게 들어 있는 식품일수록 점수가 높다. 하루 동안 섭취하는 식품 속 아미노산 총량의 균형이 중요하다. 곡물과 콩은 단독으로는 아미노산 균형이 좋지 않지만, 곡물에는 트립토판과 메티오닌이 많고 콩에는 이소류신과 라이신이 많아 서로 보완할 수 있다.

6. 필수 아미노산 결핍의 영향

필수 아미노산 중 하나라도 필요한 양만큼 이용할 수 없으면, 다른 아미노산이 충분히 있더라도 단백질 합성이 저해된다.^[34] 단백질 결핍은 신체의 모든 기관과 많은 시스템에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 예를 들어 영유아의 뇌 발달에 영향을 주고, 면역계 유지를 억제하여 감염 위험을 증가시키며, 장 점막 기능 및 투과성에 영향을 주어 흡수를 감소시키고 전신 질환에 대한 취약성을 증가시키고, 콩팥 기능에도 영향을 미친다.^[34] 단백질 결핍의 신체적 징후로는 부종, 영유아의 성장장애, 근육 조직 불량, 윤기 없는 피부, 얇고 연약한 머리카락 등이 있다. 단백질 결핍을 반영하는 생화학적 변화에는 혈청 알부민 감소와 혈청 트랜스페린 감소가 포함된다.^[34]

필수 아미노산 결핍은 마라스무스 또는 콰시오커로 나타날 수 있는 단백질 열량 영양장애와 구별되어야 한다. 콰시오커는 한때 충분한 칼로리를 섭취하는 사람에게서 나타나는 순수 단백질 결핍(슈가 베이비 증후군)으로 여겨졌다. 그러나 이 이론은 콰시오커와 대조적으로 마라스무스가 발병하는 어린이의 식단에 차이가 없다는 발견으로 인해 도전을 받게 되었다.^[55] 미국 농무부에서 유지 관리하는 일일 섭취 권장량에서 필수 아미노산 중 하나 이상이 결핍되면 단백질 열량 영양장애로 설명한다.^[34]

사람의 식단에 필수적인 아미노산은 윌리엄 커밍 로즈가 이끈 일련의 실험들을 통해 확립되었다. 실험은 건강한 남자 대학원생들을 대상으로 진행되었으며, 이들의 식단은 옥수수 녹말, 수크로스, 단백질이 없는 유지방, 옥수수 기름, 무기염류, 알려진 비타민, 페퍼민트 기름으로 맛을 낸 간 추출물로 만든 큰 갈색 "사탕"(알려지지 않은 비타민 공급용), 고도로 정제된 개별 아미노산들의 혼합물로 구성되었다. 주요 결과 측정은 질소평형이었다. 로즈는 피험자들에게 필수 아미노산이 결핍될 때마다 신경질, 피로 및 현기증 증상이 다소간 발생한다고 언급했다.^[54]

7. 동물에서의 필수 아미노산

20세기 초부터 과학자들은 쥐가 옥수수에서 추출한 제인이라는 단백질만으로는 생존할 수 없지만, 우유에서 추출한 카제인을 섭취하면 회복된다는 것을 알고 있었다. 이것은 윌리엄 커밍 로즈가 필수 아미노산인 트레오닌을 발견하는 계기가 되었다.^[52][23] 쥐의 식단 조작을 통해 로즈는 리신, 트립토판, 히스티딘, 페닐알라닌, 류신, 아이소류신, 메티오닌, 발린, 아르기닌, 트레오닌의 10가지 아미노산이 쥐에게 필수적이라는 것을 알아냈다.^[52] 로즈의 후기 연구에서는 8가지 아미노산이 성인에게 필수적이며 히스티딘은 유아에게도 필수적임을 밝혀냈다.^[53][24] 이후 장기간의 연구를 통해 히스티딘이 성인에게도 필수적인 것으로 확인되었다.^[24]

동물의 종류에 따라 필수 아미노산의 종류는 다르다.

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