사람이 생명을 유지하기 위하여 반드시 섭취하여야만 하는 물질을 영양소라고 하며, 그 중에서도 가장 기본적이고 중요한 세 종류를 3대 영양소라 하여 탄수화물, 지방, 단백질이 포함된다. 단백질은 에너지원으로서 이용되기도 하지만, 그보다는 인체의 구성성분으로 매우 중요하다. 우리 몸의 약 16%는 단백질이며, 약 70%를 차지하는 물을 제외한 나머지의 절반 이상이 단백질이다. 모든 세포의 세포막은 예외 없이 단백질과 지질(脂質)로 구성되어 있으며, 핵이나 미토콘드리아 등 세포 내의 각종 구조물도 단백질과 지질로 구성되어 있다. 또, 세포의 원형질도 다량의 각종 단백질을 함유하고 있다.

생물체 내에서의 화학반응의 속도를 조절하는 촉매(觸媒)를 효소(酵素)라고 하는데, 생물체 내의 모든 효소가 단백질이다. 생물체 내의 화학반응의 종류는 무수히 많은데, 각각의 반응에는 그 반응에만 촉매작용을 하는 효소가 있다. 따라서 효소의 종류도 엄청나게 많다. 단백질은 그 종류가 무한히 많을 수 있기 때문에 이 무수히 많은 효소의 종류를 담당할 수 있는 것이다. 이와 같이, 효소로서의 기능만 보아도 단백질 없이는 생물체는 잠시도 그 생명 기능을 유지할 수 없다.

인체는 자신의 몸을 구성하고 있는 단백질과 다른 이질단백질(異質蛋白質)이 외부로부터 체내에 들어오면 그 이질단백질( 이 이질단백질을 ‘抗原’이라 한다 )을 제거하기 위하여 체내에 항체(抗體)를 만들어 항원과 결합시켜 항원을 파괴하거나 침전시켜 제거한다. 이와 같은 현상이 면역인데, 이 면역에서 모든 항체가 전부 단백질이다.

단백질(protein)의 가장 기본적인 단위는 아미노산(amino acid)으로, 단백질은 수많은 아미노산의 결합체이다. 아미노산의 구조는 탄소(C) 하나에 아미노기( amino group, -NH2 ), 카복실기( carboxyl group, -COOH ), 수소(H) 및 R기( R group )가 붙어있는 형태이다. 여기서 R기는 단순히 수소일 수도 있고 복잡한 화학구조일 경우도 있으며, 이 R기가 무엇인가에 따라 각각의 아미노산의 성질이나 기능이 달라진다. 우리가 음식물을 섭취하면 단백질은 아미노산으로 분해된 후 흡수하게 되며, 인체 내에서는 흡수한 아미노산을 조합하여 수없이 많은 종류의 단백질을 만들어 낸다.

식물이나 미생물은 그들이 필요로 하는 모든 단백질을 스스로 합성할 수 있으나, 사람은 그러한 능력이 없으므로 음식물의 형태로 단백질 또는 아미노산을 섭취하여야 한다. 인체를 구성하는 단백질은 20여 종의 아미노산으로 구분된다. 이 중에서 신체 내에서 합성이 되지 않아 음식물로 섭취하여야만 하는 아미노산을 “필수아미노산(essential amino acid)”이라 하고, 합성이 가능한 아미노산을 “비필수아미노산”이라고 한다. 단백질이 합성되기 위해서는 필수아미노산만 있으면 되는 것이 아니라, 비필수아미노산도 반드시 필요하다. 비필수아미노산은 체내에서 합성이 가능하다는 뜻이지 필요 없다는 뜻은 아니다.

성인에게 필요한 필수아미노산에는 발린(Valine), 트립토판(Tryptophan), 루신(Leucine), 라이신(Lysine), 아이소루신(Isoleucine), 메싸이오닌(Methionine), 쓰레오닌(Threonine), 페닐알라닌(Phenylalanine) 등 8종이 있다. 어린이의 경우에는 여기에 히스티딘(Histidine)을 포함하여 9종이 된다. 히스티딘은 인체에서 합성이 가능하지만 성장기의 어린이에서는 필요한 만큼 충분한 양을 만들어내지 못하여 외부에서 섭취하여야만 하기 때문에 필수아미노산으로 분류한다.

비필수아미노산에는 아지닌(Arginine), 알라닌(Alanine), 아스파라진(Asparagine), 시스테인(Cysteine), 글루타민(Glutamine), 프롤린(Proline), 세린(Serine), 타이로신(Tyrosine), 글리신(Glycine), 시스틴(Cystine), 옥시프롤린(Oxyproline), 아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid) 등이 있다. 이 중에서 아지닌은 인체에서 합성되므로 필수아미노산이 아니지만 성장기 어린이나 외상 또는 질병을 앓고 있는 성인에게는 필요량에 비해 인체 합성량이 모자라므로 식이를 통해 보충해 주어야만 하기 때문에 최근 문헌에서는 아지닌을 필수아미노산으로 분류하기도 한다.

인체에서 단백질 합성이 원활하게 이루어지기 위해서는 모든 필수아미노산이 필요한 비율대로 골고루 있어야 한다. 만일 필수아미노산 중 하나라도 없거나 부족하면 그 순간의 단백질 합성은 가장 부족한 필수아미노산 함량에 맞추어 진행된다. 이 때 다른 필수아미노산을 충분히 공급하여도 대신 사용될 수 없으며, 가장 부족한 아미노산의 함량만큼만 단백질 합성이 이루어진다. 단백질 합성이 원활하게 이루어지려면 필수아미노산량에 비례해서 비필수아미노산을 공급할 수 있는 단백질의 섭취도 필요하다.

단백질은 탄수화물이나 지방과 같이 저장될 수 없으므로 생명과 건강을 유지하려면 체중에 상응하는 단백질을 매일 섭취하여야 한다. 특히 성장ㆍ발육기의 청소년이나 임신ㆍ수유부 등은 보통 사람보다 단백질이 더 많이 필요하다. 어린이는 보통 성인의 5배 이상으로 아미노산이 필요하다고 한다. 대체로 성인은 체중 1kg당 약 1g의 단백질이 필요하며, 이 양은 질병과 수술 후에는 증가된다. 여분의 단백질은 체내에 저장되지 않고 에너지로 소비되므로 권장량 이상으로 더 많은 단백질을 섭취할 필요는 없다. 탄수화물이나 지방의 섭취가 부족하여 필요한 에너지를 생성할 수 없으면 인체를 구성하고 있는 단백질을 분해하여 에너지를 내게 되므로 섭취 열량의 균형을 맞추는 것이 필요하다. 영양학자들이 권장하는 섭취 열량의 비율은 단백질 15%, 지방 20%, 탄수화물 65% 이다.

식품의 종류에 따라 단백질을 구성하고 있는 아미노산의 종류와 함량이 다르다. 어떤 식품의 단백질이 우리 몸이 필요로 하는 모든 필수아미노산을 골고루 적당한 비율로 함유하고 있으면, 이 단백질을 완전단백질(complete protein)이라 하며 우유, 계란 등이 이에 속한다. 동물성 단백질은 보통 필수아미노산이 충분히 함유되어 있지만 식물성 단백질은 대부분 한 개 이상의 필수아미노산이 부족하다. 불완전단백질이라 하여도 두 개 이상의 식물성 단백질을 섭취하거나 소량의 동물성 단백질을 첨가하면 필수아미노산의 불균형을 해소할 수 있다. 그러므로 단백질 음식은 편식하지 않고 고르게 여러 가지를 섞어서 먹는 것이 중요하다.

건강기능식품으로서 아미노산 보충제를 먹으면, 아미노산은 단백질이 소화된 상태이므로 곧바로 흡수되어 빠른 효과를 보일 수 있다. 하지만 이 효과는 일시적인 것이고, 건강한 사람에게는 고기를 먹는 것과 같은 효과를 낼 뿐이다. 채식만 하여도 필요한 필수아미노산을 모두 섭취할 수는 있으나, 영양 효율적인 면을 보아서는 동물성 단백질을 섭취하는 것이 좋으며, 비만을 우려하여 무조건 육류를 기피할 것은 아니다.