동물의 생존을 지탱하는 에너지와 영양소: 화학에너지에서 필수 영양소까지

우리는 왜 매일 음식을 먹어야 할까?

우리가 섭취하는 음식은 단순히 배고픔을 해소하기 위한 것이 아니다. 음식 속에 들어 있는 화학 에너지는 세포, 조직, 기관, 그리고 궁극적으로는 전체 동물 개체의 생존과 활력을 유지하는 근본적인 원천이다. 이 에너지는 세포 내에서 ATP로 전환되어 DNA 복제, 세포분열, 물질대사와 같은 모든 생명 활동에 사용된다. 따라서 동물은 지속적인 ATP 생산을 위해 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 영양분을 섭취하고 이를 소화·흡수해야 한다.

그러나 음식의 역할은 에너지 공급에만 국한되지 않는다. 성장, 유지, 번식을 위해 필요한 다양한 고분자 물질과 그 전구체 역시 음식으로부터 공급받아야 한다. 유기 탄소와 유기 질소가 주어지면 동물은 매우 다양한 유기 분자를 합성할 수 있지만, 모든 물질을 스스로 만들어낼 수 있는 것은 아니다.

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동물이 음식에서 반드시 얻어야 하는 필수 영양소

동물 세포가 직접 합성하지 못해 반드시 음식으로 섭취해야 하는 물질을 필수 영양소라 한다. 필수 영양소는 크게 네 가지 범주, 즉 필수 아미노산, 필수 지방산, 비타민, 무기질로 나뉜다. 이들 중 일부는 모든 동물에게 공통적으로 필요하지만, 어떤 영양소는 특정 종에서만 필수적인 경우도 있다.

예를 들어, 아스코르브산(비타민 C)은 사람과 다른 영장류, 기니피그, 일부 조류와 파충류에게는 필수 영양소이지만, 대부분의 동물은 이를 자체적으로 합성할 수 있다. 이러한 차이는 영양 요구가 종마다 어떻게 달라질 수 있는지를 잘 보여준다.

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단백질은 모두 같은 단백질일까? ― 필수 아미노산

동물은 20종의 아미노산을 조합하여 단백질을 합성한다. 이 가운데 대부분의 동물은 약 절반의 아미노산을 체내에서 합성할 수 있지만, 나머지는 반드시 음식으로 섭취해야 한다. 이러한 아미노산을 필수 아미노산이라 하며, 성인을 포함한 대부분의 동물은 약 8종의 필수 아미노산을 식이를 통해 공급받아야 한다.

하나 이상의 필수 아미노산이 결핍된 식이는 단백질 결핍에 의한 영양실조를 초래할 수 있다. 이는 전 세계적으로 가장 흔한 형태의 영양실조이며, 특히 성장기 어린이에게 심각한 신체적·정신적 발달 지연을 유발할 수 있다.

쇠고기, 달걀, 치즈와 같은 동물성 식품에 포함된 단백질은 모든 필수 아미노산을 적절한 비율로 포함하고 있어 ‘완전 단백질’이라 불린다. 반면, 대부분의 식물성 단백질은 특정 필수 아미노산이 부족한 ‘불완전 단백질’이다. 예를 들어 옥수수에는 리신과 트립토판이 부족하고, 콩에는 메티오닌이 적다. 따라서 채식 위주의 식단을 유지하려면 서로 다른 식물성 식품을 조합하여 필수 아미노산을 균형 있게 섭취하는 것이 중요하다.

일부 동물은 특정 시기에 단백질 요구량이 급증하는데, 이에 적응적인 전략을 사용한다. 예를 들어 펭귄은 털갈이 시기에 새 깃털을 합성하기 위해 일시적으로 근육 단백질을 분해하여 재활용한다.

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세포막과 호르몬을 만드는 지방 ― 필수 지방산

동물은 대부분의 지방산을 스스로 합성할 수 있지만, 몇몇 불포화 지방산은 체내에서 만들어지지 않아 필수 지방산으로 분류된다. 사람의 경우 리놀레산은 세포막 인지질을 구성하는 데 반드시 필요하며, 음식에 포함되어 있어야 한다.

다행히 씨앗, 곡물, 채소와 같은 식물성 식품에는 필수 지방산이 비교적 풍부하게 들어 있어, 일반적인 식단에서는 결핍이 드물게 나타난다.

필수지방산

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극소량이지만 생존에 필수적인 분자 ― 비타민

비타민은 아주 적은 양만으로도 정상적인 생리 기능을 유지하는 데 필수적인 유기 분자이다. 예를 들어 비타민 B₂는 체내에서 FAD라는 조효소로 전환되어 세포호흡을 포함한 다양한 대사 과정에 관여한다. 현재까지 사람에게 필요한 비타민은 13종으로 알려져 있다.

비타민은 수용성 비타민과 지용성 비타민으로 구분된다. 수용성 비타민에는 비타민 B 복합체와 비타민 C가 포함되며, 주로 조효소로 기능하거나 결합조직 형성에 관여한다. 지용성 비타민에는 비타민 A, D, K 등이 있으며, 각각 시각, 칼슘 흡수 및 뼈 형성, 혈액 응고에 중요한 역할을 한다.

수용성 비타민은 과잉 섭취 시 대부분 소변으로 배출되지만, 지용성 비타민은 체내 지방에 축적되므로 과잉 섭취가 오히려 해로울 수 있다.

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뼈, 신경, 효소를 지탱하는 무기질

무기질은 비교적 단순한 무기 물질로, 하루에 소량만 필요하지만 생명 유지에 필수적이다. 칼슘과 인은 뼈와 치아 형성에 필요하며, 칼슘은 신경과 근육 기능에도 관여한다. 인은 핵산과 ATP의 구성 성분이다.

철은 세포호흡에 필요한 시토크롬과 산소 운반 단백질인 헤모글로빈의 구성 요소이다. 마그네슘, 아연, 구리, 망간, 셀레늄 등은 효소의 보조인자로 작용하며, 요오드는 갑상선호르몬 합성에 필요하다. 소듐, 포타슘, 염소는 신경 신호 전달과 삼투압 유지에 중요한 역할을 한다.

무기질 역시 과잉 섭취 시 항상성이 무너질 수 있다. 예를 들어 철이 과도하게 축적되면 간 손상이 발생할 수 있고, 과도한 염분 섭취는 고혈압과 관련된다.

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영양이 부족하거나 불균형할 때 일어나는 일

식이가 기본적인 요구를 충족하지 못하면 영양부족 상태 또는 영양실조가 발생한다. 영양부족 상태는 에너지 섭취가 지속적으로 부족할 때 나타나며, 저장된 지방과 탄수화물이 먼저 사용된 후 단백질이 분해되어 근육 위축과 뇌 기능 저하로 이어질 수 있다.

영양실조는 하나 이상의 필수 영양소가 결핍된 식이를 장기간 섭취할 때 발생한다. 예를 들어 비타민 A 결핍은 시각 장애를 유발할 수 있으며, 이를 해결하기 위해 베타카로틴을 합성하는 ‘황금쌀’이 개발되었다. 단순한 영양 보충이 수백만 명의 생명을 구할 수 있다는 점에서, 영양학적 접근은 매우 중요한 의미를 가진다.

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인간의 영양 요구는 어떻게 평가될까?

인간에게 이상적인 식이를 정의하는 일은 중요하지만 쉽지 않다. 사람은 유전적으로 다양하고 생활 환경도 복잡하기 때문이다. 현대 영양학에서는 유전 질환 연구와 대규모 역학 연구를 통해 영양소의 역할을 분석한다.

예를 들어 철 과잉이 발생하는 유전 질환인 헤모크로마토시스를 연구함으로써 과학자들은 철 흡수 조절 기작에 대한 중요한 통찰을 얻었다. 또한 엽산 섭취가 태아의 신경관 결함을 크게 줄인다는 사실은 역학 연구를 통해 밝혀졌으며, 이 결과를 바탕으로 여러 국가에서 곡물 강화 정책이 시행되었다.

이처럼 영양에 대한 과학적 이해는 단순한 개인 건강을 넘어, 공중보건과 인류 전체의 삶의 질을 향상시키는 데 기여하고 있다.