영양소
⑴ 영양소의 분류
① 영양소 : 식품의 성분 중 체내에서 영양적인 작용을 하는 유효 성분
○ 필수영양소 : 직접 합성하지 못하는 물질
② 다량 영양소 vs 소량 영양소
○ 다량 영양소 : 다량 요구되는 물, 탄수화물, 단백질, 지방
○ 미량 영양소 : 미량 요구되는 비타민, 무기물
③ 3대 영양소 vs 부영양소
○ 3대 영양소 : 에너지원으로 사용되는 탄수화물, 단백질, 지방
○ 부영양소 : 에너지원으로 쓰이지는 않지만 우리 몸에 꼭 필요한 비타민, 무기염류, 물
⑵ 물
① 물의 역할
○ 용매
○ 화학반응 매개, 산염기 평형, 농도 평형
○ 세포 활동
○ 장기 보호 및 윤활유
○ 영양소 용해 및 운반
○ 노폐물 제거
○ 혈압 및 체온 유지
② 인체의 체액분포
○ 남자의 체내 수분함량 : 60%
○ 여자의 체내 수분함량 : 50 ~ 55%
○ 갓난아기의 체내 수분함량 : 75% 이상
③ 수분 손실 : 성인은 매일 약 3 L의 물을 필요로 함 (음식에서 1.5 L, 음료로 1.5 L)
⑶ 탄수화물
① 세포의 주요 에너지원
○ 4 kcal/g. 에너지는 화학결합에 저장
② 흡수속도 : 단당류 > 이당류 > 다당류
③ 전분(녹말) : 식물의 포도당 중합체
④ 글리코겐 : 동물의 포도당 중합체
○ 탄수화물을 간과 근육에 글리코겐 형태로 저장
○ 하루 만에 소진되는 에너지원
⑤ 식이섬유 (셀룰로오스 등)
○ 대장의 소화폐기물 청소 : 식이섬유는 소화되지 않음
○ 소화폐기물 : 세균, 독성 물질, 기생충 등
○ 소장의 콜레스테롤 흡수 ↑, 암 위험 ↓
○ 지구상에서 가장 풍부한 탄수화물
⑥ 검출시약
○ 녹말 : 아이오딘-아이오딘화 칼륨 수용액, 요오드 반응, 보라색
○ 포도당, 과당, 엿당 등 : 베네딕트 반응 (황적색, 가열 필요)
⑷ 단백질
① 세포의 주요 에너지원, 세포의 주요 구성요소
○ 4 kcal/g, 에너지는 화학결합에 저장 (최후 보루의 에너지원)
② 20종 아미노산의 중합체, 아미노산은 펩티드 결합으로 연결
③ 필수 아미노산
○ 음식으로 섭취해야 할 아미노산. 어른 8종과 어린이 +2종
○ 발린, 류신, 이소류신, 메티오닌, 트레오닌, 리신, 페닐알라닌, 트립토판, 히스티딘, 아르기닌
○ 동물성 단백질 : 필수 아미노산이 모두 포함 vs 식물성 단백질 : 필수 아미노산이 모두 포함된 경우가 거의 없음
○ 아미노산은 친수성이므로 저장되지 않으며 매일 공급되어야 함
④ 완전단백질
○ 모든 필수 아미노산을 포함한 단백질 : 육류, 달걀
○ 식물 단백질 : 완전 단백질이 아님, 채식만 하는 경우 다양한 식재료의 배합이 필요
⑤ 제한단백질
○ 하나라도 필수 아미노산을 포함하지 않은 단백질
⑥ 검출시약 : 뷰렛반응 (보라색)
⑸ 지방
① 주요 저장 에너지 분자, 중요 기관의 보호, 보온, 기근 대비
○ 9 kcal/g. 에너지는 화학결합에 저장
○ 사용하고 남은 탄수화물은 지방으로 저장
② 글리세롤 + 지방산(탄화수소) 꼬리
③ 지방산
○ 단쇄지방산(SCT) : 탄소수 6개 이하
○ 중쇄지방산(MCT) : 탄소수 8 ~ 10개
○ 장쇄지방산(LCT) : 탄소수 12개 이상
○ 지방산은 아세틸-CoA (C2)로 합성하므로 짝수 개의 탄소수를 가짐
④ 필수 지방산 : 체내에서 합성하지 못하는 불포화 지방산
○ 리놀레산, 리놀렌산 : 다중불포화 지방산으로 옥수수 및 홍화 씨 기름에 함유. 세포막에 존재하는 인지질 생성
○ 아라키돈산(archidonic acid) : 프로스타글란딘 등의 중요 신호물질의 전구체
○ 오메가-3, 오메가-6 : 한류 어류(예 : 연어, 정어리) 및 아마종자 기름의 불포화 지방산 → 심장 보호 기능
⑤ 트랜스 지방 (전이지방)
○ cis-불포화지방산에 수소첨가하여 포화지방산을 만들 때 trans-불포화지방산 또는 트랜스지방이 만들어짐
○ 예 : 쇼트닝, 마가린
○ 심장병 및 당뇨병의 위험 증가
○ WHO 권장량 : 섭취하는 열량 중에서 트랜스 지방의 비율이 1% 미만
⑥ 검출시약 : 수단 Ⅲ (선홍색)
⑹ 비타민
① 기능 : 일반적으로 효소의 기능에 요구되는 조효소 작용하여 물질대사, 생리기능을 조절
② 프로비타민 : 아직 활성을 갖기 전의 비타민
○ 예 : 베타 카로틴, 에르고칼시페롤
③ 수용성 비타민 (B, C)
○ 개요
○ 조리 과정에서 유실, 신선한 채소로 섭취, 저장되지 못하므로 결핍 가능성
○ 식품 형태 : 압축된 정제로 포장된 보충제
○ 혈액, 조직액 등의 체액에 녹아 분포
○ 오줌으로 배출되므로 결핍증을 일으키기 쉬움
○ 리보플라빈(비타민 B2) : FAD, FMN
○ 나이아신(비타민 B3) : NAD+, NADP
○ 비오틴(비타민 B7) : 조효소에 존재
○ 엽산(비타민 B9) : folate라고도 함
○ 기능 : 퓨린 뉴클레오티드 생합성에 필요, 적혈구의 재료, 세포분열에 필요한 아미노산의 재료
○ 음식에서 흡수된 엽산은 엽산 대사 경로로 들어가 tetrahydrofolate로 환원됨
○ tetrahydrofolate는 퓨린 생합성 과정에서 단순 원자를 제공
○ methotrexate : 항엽산제. DHFR(dihydrofolate reductase)을 억제함
○ 코발라민(비타민 B12)
○ 핵산 합성, 적혈구의 재료
○ 결핍증 : 악성 빈혈
○ Co 이온과 함께 작용
○ 호모시스테인(homocystein)을 시스테인(cystein)으로 전환
○ 동물성 단백질에 포함돼 있음
○ 비타민 C
○ 기능 1. 콜라겐 합성
○ 1st. 비타민 C가 prolyl hydroxylase의 조효소로 작용
○ 2nd. prolyl hydroxylase는 콜라겐 내에 상당한 양이 있는 prolin을 hydro-prolin으로 만듦
○ 3rd. hydro-prolin은 강한 결합력이 생겨 ECM에서 다양한 결합기능을 수행
○ 기능 2. 장의 철 흡수를 증가
○ 위장에서 Fe3+을 Fe2+으로 환원시키면 비타민 C와 결합하여 철분이 흡수가 촉진됨
○ 결핍증 : 괴혈병
④ 지용성 비타민 (A, D, E, K)
○ 개요
○ 지용성 비타민은 쉽게 방출되지 않으므로 과잉증이 나타날 수 있음
○ 비타민 A, D를 포함한 대부분의 지용성 비타민은 간에서 저장
○ 식품 형태 : 기름 젤 캡슐로 포장된 보충제
○ 세포막 조직과 같은 구조에 분포
○ 소변으로 배설되지 않고 담즙으로 배설
○ 비타민 A
○ 1912년 홉킨스 박사가 우유 중에 동물 성장 인자가 있음을 알게 되면서 최초로 발견
○ 간상세포에 함유된 색소 단백질인 로돕신의 구성 성분
○ 종류 1. 레티놀 : 동물의 간, 우유, 전지 분유, 버터, 난황, 대구, 간유 등 동물성 식품에 포함
○ 종류 2. 카로티노이드 : 식물성 식품에 포함된 주황색 색소
○ 체내에서 비타민 A로 바뀜
○ 카로티노이드 중 가장 활성이 높은 것은 베타-카로틴 : 당근, 시금치과 같은 녹색 채소 및 해조류에 많음
○ 결핍증 1. 야맹증 : 사람들은 밝은 광선 속에서 어두운 곳에 들어갔을 때 시각이 둔해지는 증세
○ 결핍증 2. 안구건조증
○ 비타민 D (칼시페놀) : 신체가 합성할 수 있는 유일한 비타민
○ 1st. 피부 : 7-dehydroxycholesterol이 자외선을 받아 콜레칼시페롤(vitamin D3)이 됨
○ 2nd. 간 : 콜레칼시페롤은 25-hydroxylase에 의해 25-OH vitamin D3가 됨
○ 3rd. 신장 : 25-OH vitamin D3는 1α-hydroxylase에 의해 칼시트리올(1,25-(OH)2 vitamin D3)이 됨
○ 4th. 소장 : 칼시트리올은 활성 비타민 D로서 칼슘 펌프를 활성화하여 칼슘 흡수를 촉진함
○ 결핍증 : 구루병
○ 비타민 E : 알파-토코페롤·토코트리에놀. 지방 항산화제. 불임 예방
○ 결핍증 : 노화
○ 비타민 K : 혈액응고 단백질 활성화
○ 혈액응고 과정에서 프로트롬빈의 글루탐산 잔기를 카르복실화함
○ 결핍증 : 혈액응고의 지연
⑤ 비타민의 종류
Table. 3. 비타민의 종류
⑺ 무기물 : 미네랄(mineral), 광물질이라고도 함
① 개요
○ 정의 : 생물체를 구성하는 원소 중 탄소, 수소, 산소 등 3원소를 제외한 생물체의 구성 요소
○ 구성 : 사람 몸의 구성 성분 중 약 4%를 차지
○ 기능 : 신체 성장, 신체 유지, 생식에 관여
② 무기이온의 주요 기능
○ 나트륨 (Na)
○ 세포 외액의 삼투압 요소
○ 활동전위 유발
○ 권장섭취량 : 7 g
○ 한국인 평균섭취량 : 15 ~ 30 g
○ 과다증 : 고혈압 (혈관이 수축되고 호르몬을 변화시키므로)
○ 과다증 : 체액의 삼투압이 높아져서 세포에서 수분이 빠져나가 세포 내 산도가 증가하므로 단백질 구성이 무너짐
○ 과다증 : 소금의 과잉 섭취는 소화관을 자극하여 영양소의 흡수를 방해
○ 마그네슘 (Mg)
○ ATPase
○ DNA 중합효소
○ 인 (P)
○ 인지질, 핵산 구성
○ 인산의 경우 탄산과 함께 수소 이온의 완충용액으로 기능
○ 뼈와 치아의 구성성분 : 인의 대부분은 인산칼슘의 형태로 뼈와 치아에 있음
○ 모든 자연 식품에 널리 분포하며 특히 우유, 유제품, 육류 등의 동물성 식품에 많음
○ 현미에도 인이 많으나 대부분 피틴산의 형태로 존재 : 피틴산은 인의 흡수를 방해하는 물질
○ 인을 너무 많이 섭취하면 칼슘 흡수가 저해됨
○ 염소 (Cl)
○ 삼투압 조절에 관여 : 무기 양이온에 대응 이온
○ 위액 위에 염산으로 존재 : 위액의 산도를 유지, 세균 발효 방지, 소화 촉진
○ 과다증 : 고혈압
○ 칼륨 (K)
○ 세포 내액의 삼투압 요소
○ 산염기 평형 : 저칼륨 혈증의 경우 H+ 감소
○ 소변을 만들어내는 요소 대사에 필요
○ 칼륨을 많이 섭취하면 소변 배설 : 신장은 나트륨만큼 칼륨을 저장하지 못함
○ 전기생리학에 관여 : 막의 재분극 유발, 휴지전위 확립
○ 글리코겐 및 단백질 합성 관여
○ 과다증 : 근육 약화, 마비, 심장 마비
○ 칼슘 (Ca)
○ 외포작용 : 신경세포에서 신경전달물질의 분비와 관련
○ 혈액 응고 반응의 보결족
○ 골격근 수축, 심장근 수축
○ 세포 간 결합 : 데스모좀에서 카드헤린 안정화
○ 뼈와 치아의 구성성분 : 칼슘의 99%가 뼈와 치아에 분포
○ 2차 신호전달자
○ 칼슘 이온이 적을 때는 나트륨 통로가 많이 열림 : 과활성
○ 칼슘 이온이 많을 때는 나트륨 통로가 많이 닫힘 : 힘이 안 남
○ 중년 여성에게 칼슘이 많아 힘을 잘 못 냄
○ 결핍증 : 골다공증, 왜소증
○ 과다증 : 신장 결석
○ 망간 (Mn)
○ 철 (Fe)
○ 조혈작용 : 몸 안에서 철분의 절반 이상이 헤모글로빈의 구성성분
○ 산소운반 : 무기철염이 산소 흡수가 빠름. 2가 철염이 3가 철염보다 흡수가 좋으나 어느 쪽이든 10% 이내
○ 위장에서 Fe3+을 Fe2+으로 환원시키면 비타민 C와 결합하여 철분이 흡수가 촉진됨
○ 곡류의 껍질에 많은 피틴산과 시금치, 무청 등과 같은 물질은 철분과 결합하여 불용성 복합체 형성 → 철분 흡수 방해
○ 차, 커피에 많은 탄닌과 식이섬유질은 철분의 흡수 방해
○ 결핍증 : 빈혈
○ 코발트 (Co)
○ 구리 (Cu)
○ 아연 (Zn)
○ 성장, 상처 회복, 건강한 피부 유지에 필요한 단백질과 콜라겐의 합성에 반드시 필요
○ 아연은 파괴되기 쉬워 식품을 통해서는 거의 섭취되지 않음
○ 아연은 해산물, 붉은 색을 띤 육류, 견과류, 콩, 우유 등에 많이 들어 있음
○ 결핍증 : 철과 달리 아연은 잠재적인 결핍상태가 오랫동안 계속되어도 결핍 증세가 쉽게 나타나지 않음
○ 과다증 : 급성아연독성
○ 셀레늄 (Se)
○ 항산화제의 기능 : 세포 구조의 손상 방지
○ 글루타티온
○ 과산화수소의 주요 성분
○ 요오드 (아이오딘, I)
○ 갑상선이 유일하게 요오드를 섭취 : 갑상선암 방사선 치료의 원리
○ 티록신 등 갑상선 호르몬의 구성 성분으로 태아와 아동의 세포 발달과 성장에 영향을 미침
○ 백혈구의 구성에 관여
○ 수유하는 모체의 유즙 분비를 적당히 조절해 줌
○ 결핍증 : 갑상선 비대증, 바세도우씨 병(그레이브스 병) 등의 갑상선 항진증, 크레틴증
③ 무기물의 종류 요약
Table. 4. 무기물의 종류
④ 섭취
○ 무기질은 합성할 수 없음
○ 비교적 적은 양이 필요 : 간단한 무기질로 하루에 1 mg 미만에서 2500 mg 정도의 적은 양 필요
○ 수용성이므로 끓이면 유실
⑻ 비타민과 무기질의 비교
① 비타민은 탄소를 포함하는 유기물질이고 무기질은 아님
② 식물과 세균 등은 몇 가지 비타민들을 합성할 수 있지만 무기질은 합성할 수 없음
③ 비타민은 공기, 빛, 열 등 여러 가지 처리에 의하여 쉽게 파괴되지만 무기질은 화학적 방법에 의하여 파괴되지 않고 매우 안정적
⑼ 파이토케미컬(피토케미컬, phytochemical) : 식물에 들어있는 화합물 중 강한 생리적 활성을 갖는 것
① 색소 : 항산화 작용을 가지고 있어 노화 예방이나 만성 질병 예방에 기여
② 이소플라본(isoflavone) : 콩에 많고, 여성호르몬과 비슷한 작용을 하여 갱년기 증상을 완화하며 골다공증을 예방
③ 마늘이나 양파에는 심장병에 도움이 되는 물질이 들어 있음
⑽ 칼로리(calorie)와 물질대사율
① 칼로리 : 물 1g을 1℃ 높이는 데 필요한 에너지, 킬로칼로리(kcal)를 C로 줄여서 쓰기도 함
② 세포는 영양소의 에너지를 일을 하고 체온 유지에 사용
③ 물질대사율 : 생체의 효소 반응 속도를 측정하는 척도
○ 일일권장섭취량 : 성인 남성 평균 2700 kcal/day, 성인 여성 평균 2100 kcal/day가 필요
○ 기초대사율(75 %) : 휴식상대에서 에너지 소모율, 갑상샘 호르몬 등과 관련
○ 활동대사율(25 %) : 특정 활동에 요구되는 시간 당 에너지 소모율
④ 에너지원으로 사용되는 화학반응
○ C-C 결합 : 장기 에너지 저장
○ C-H 결합 : 장기 에너지 저장
○ C-OH 결합 : 단기 에너지 저장
⑾ 영양불균형
① 영양부족상태
○ 섭취하는 열량이 만성적으로 부족한 상태로 체내에서 필요한 화학적 에너지를 지속적으로 적게 공급함으로써 발생
○ 저장된 글리코겐, 지방, 단백질 분해 → 근육 크기가 줄고 뇌에서 단백질 부족 현상이 나타남
○ 예 : 가뭄, 전쟁, 에이즈 유행이 있는 사하라 사막 이남의 아프리카는 약 2억 명이 충분한 영양 섭취 불가
○ 예 : 신경성 거식증(강박적인 단식)
② 영양과다
○ 동물이 에너지 요구량보다 더 많은 음식을 섭취하는 경우 3대 영양소를 글리코겐이나 체지방으로 저장
○ 동면동물에게 중요
③ 영양실조
○ 하나 또는 그 이상의 필수영양소가 부족한 상태
○ 예 1. 비타민 A 결핍 → 베타 카로틴 공급으로 해결 (황금쌀)
○ 예 2. 인이 부족한 토양에서 자란 식물을 뜯어 먹을 경우 → 초식동물 뼈가 쉽게 부러짐
○ 예 3. 필수아미노산이 충분히 들어있지 않은 식이 → 단백질 결핍증
⑿ 영양소 요구의 평가
① 연구 목적으로 인간을 이용하는 것은 윤리적인 문제 야기
② 헤모크로마토시스(hemochromatosis) : 비정상적인 철 소비가 없어도 철이 축적되는 유전병
③ 역학연구(epidemiology) : 건강과 질병을 집단 수준에서 연구하는 것
○ 예 : 신경관 결함은 발생중인 뇌·척수가 닫히지 않아 생기고 엽산 섭취는 태아 출생에 치명적인 신경관 결함을 상당히 줄임
⒀ 산성 식품과 염기성 식품
① 산성 식품
○ 정의 : 식품을 연소시켰을 경우, 그 재 속에 인, 황, 염소 등 산성을 나타내는 원소를 많이 포함하고 있는 식품
○ 예 : 달걀 노른자 (인단백을 많이 포함하므로), 과일 (시트르산, 말산 때문), 주로 에너지와 단백질의 공급원이 되는 식품
② 염기성 식품
○ 정의 : 식품을 연소시켰을 경우, 그 재 속에 칼슘, 칼륨, 나트륨, 철 등 염기성을 나타내는 원소를 많이 포함하고 있는 식품
○ 예 : 달걀 흰자위
2. 효소 [목차]
⑴ 물질대사 : 신체에서 일어나는 모든 화학반응
① 깁스 자유에너지 : ΔH - TΔS < 0이면 반응은 자발적
② 생물학에서 ΔH ≒ ΔG로 간주
○ 발열반응(exergonic reaction) : ΔH < 0, 이화작용(catabolism)과 관련
○ 흡열반응(endergonic reaction) : ΔH > 0, 동화작용(anabolism)과 관련
③ 반응이 자발적이라도 활성화에너지(문턱 에너지)가 너무 높으면 반응속도가 느릴 수 있음
④ 활성화에너지
○ 정의 : 반응분자들이 화학반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지
○ 활성화에너지가 낮아지면 반응할 수 있는 분자 수가 증가하여 반응속도 증가
○ 촉매(catalyst) : 반응물인 기질과 결합하여 활성화에너지를 낮춰 반응속도를 증가
○ 효소(enzyme) : 생체 촉매
⑵ 특징
① 특징 1. 기질특이성 : 효소는 자신의 활성부위와 입체구조가 맞는 특정 기질에만 작용하여 반응 촉매
○ 자물쇠·열쇠 모델(lock and key model) : 효소의 활성부위가 기질과 완전히 일치한다는 모델
○ 유도적합 모델(induced fit model) : 효소가 기질과 결합 시 기질에 맞는 완전히 상보적인 구조로 변한다는 모델
○ 1st. 기질의 모양은 효소 활성 부위와 대략적으로 유사
○ 2nd. 기질이 활성부위에 결합 시 효소는 모양이 변하고 화학결합이 압박
○ 3rd. 모양의 변화는 기질을 분해하고 단위체를 방출
○ 유사효소(isozyme, enzyme multiplicity)
○ 같은 생화학 반응에 관여하는 서로 다른 효소
○ 작용하는 세포에 따라 다른 특징을 가짐 (예 : hexokinase, LDH(lactose dehydrogenase))
○ 각각 다른 최종산물에 의해 피드백 조절을 받음, 그 결과 최종산물 종류에 따라 다른 효소가 작용
② 특징 2. 재사용 : 반응 전후 효소의 양은 동일
④ 특징 3. 효소는 반응속도에만 영향을 미칠 뿐 반응열의 크기에 영향을 주지 않음
⑤ 특징 4. 공통조상에서 유래 : 다른 생물들이 같은 효소를 이용하는 경우 ↑
⑵ 효소의 구성
① 효소의 분류 : RNA 효소(ribozyme이라고 함)와 단백질 효소로 구분, 일반적으로 단백질 효소를 지칭
② 활성부위(active site) : 기질(substrate)과 결합하는 부위
③ 전효소(holoenzyme) : 완전한 활성을 나타내는 효소
④ 주효소(apoenzyme) : 전효소 중 단백질 부분
⑤ 보조인자 : 전효소 중 비단백질 부분. 활성부위에 붙어 활성부위를 완성시킴
○ 조효소(coenzyme) : 효소의 활성을 위해 필요한 유기물 분자
○ 예 : 비타민 유도체, NAD+, FAD
○ 무기이온 : Fe2+, Cu2+, Mg2+, Zn2+ 등의 금속 원소
○ 보결족(prosthetic group) : 보조인자 중 효소와 매우 강하게 결합되어 있어 영구적인 결합을 하는 것
○ 포르피린 고리는 보결족을 형성하는 대표적인 화학 구조로 다음과 같은 예가 있음
○ 예 1. 헤모글로빈 헴 그룹 : 포르피린 고리에 Fe2+이 포함된 유기화합물
○ 예 2. 미오글로빈
○ 예 3. 엽록소
○ 예 4. 시토크롬 P450(cytochrome P450, CYP)