生物化学是研究生物体内化学物质及化学过程的学科。它处于化学与生物学的交汇处，探究生物分子的结构、它们之间的相互作用，以及它们参与的反应如何维持生命。其核心研究主题包括生物催化剂、能量转换、分子信息和细胞调控。生物化学将分子机制与细胞及生物体的行为联系起来，并与分子生物学有广泛的交叉。(biochemistry.org)
历史发展
生物化学是在对呼吸、消化、发酵及组织化学组成的研究中逐渐发展起来的。它能够确立为一门实验学科，有赖于证明生物过程可以在完整生物体之外进行研究。1897年，爱德华·布赫纳证明，不含活酵母细胞的酵母提取液能够将糖转化为酒精。这种无细胞发酵表明，一种重要的生物转化可以由细胞内产生的物质完成，而不必依赖活细胞本身。布赫纳因这项工作获得了1907年诺贝尔化学奖。(nobelprize.org)
此后的研究越来越多地将细胞活动视为一系列可以明确识别的化学反应。分离细胞组分的方法使研究人员能够分离催化剂、在提取液中重建反应，并将特定分子与特定功能联系起来。因此，生物化学研究逐渐与细胞组织结构及遗传信息的研究紧密结合。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物分子与结构
生物分子的主要类别包括蛋白质、碳水化合物、脂质和核酸。蛋白质由按特定序列排列的氨基酸组成，承担催化、结构支撑、运输和机械作用等功能。碳水化合物包括单糖，以及用于储存能量或提供结构支撑的较大分子。脂质参与能量储存和细胞膜的构建。核酸是由核苷酸组成的链状分子，参与生物信息的储存、传递和表达。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物分子的功能不仅取决于其组成，也取决于其形状。蛋白质的序列影响其折叠方式，而折叠形成的表面能够识别其他分子。包括氢键、静电吸引和疏水效应在内的非共价相互作用，有助于决定这些结构及分子间的结合方式。这些相互作用使分子能够选择性地结合，同时仍可解离和重新排列。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶与化学反应
酶是生物催化剂；大多数酶是蛋白质，但某些RNA分子也具有催化活性。酶通过降低反应物转化为产物所需跨越的活化能垒来加快反应。它们不会改变反应的平衡，也不会仅凭加快反应就使一个整体上在能量方面不利的过程变得有利。酶的结合位点和化学基团使特定底物能够发生特定的转化。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物化学研究区分反应速率与反应在热力学上是否有利。热力学描述一个过程在能量方面受到的约束，而反应动力学描述该过程进行的快慢。细胞可以将一个不利的反应与一个足够有利的反应偶联，从而使整体过程得以发生。酶将这些转化组织成受控的反应序列，而不是让细胞内的化学过程以无序的反应方式进行。(ncbi.nlm.nih.gov)
代谢与能量转换
代谢包括一系列相互关联的反应，细胞通过这些反应获取资源、转换能量并合成自身的组成物质。分解代谢途径分解分子，并从中获取可利用的化学能；合成代谢途径构建细胞物质，需要能量和前体分子。这些活动通过共有的中间产物和携带能量的化合物相互联系，其中尤为重要的是三磷酸腺苷（ATP）。(ncbi.nlm.nih.gov)
在细胞呼吸中，细胞通过连续的反应氧化燃料分子，将释放的部分能量保存下来，用于细胞做功。在光合作用中，光能用于产生化学能载体和合成有机化合物。生命系统通过与周围环境交换物质和能量来维持自身的有序结构；其内部的有序性并不意味着它们可以不受热力学定律约束。(ncbi.nlm.nih.gov)
调控过程协调相互竞争或协作的代谢途径的速率。酶活性、底物供应和分子浓度的变化，有助于使化学物质的生成与细胞需求相适应。因此，代谢被作为一个相互联系的网络来研究，而不只是被视为一组彼此独立的反应。(ncbi.nlm.nih.gov)
分子信息
生物化学也研究遗传指令如何转化为具有功能的分子。脱氧核糖核酸（DNA）通过转录（生物学）过程为RNA合成提供模板。在蛋白质合成过程中，信使RNA通过翻译（生物学）过程被读取，并依据遗传密码生成氨基酸序列。其他RNA则承担结构、催化或调控作用，而不是充当蛋白质合成的模板。(ncbi.nlm.nih.gov)
信息传递的分子机器将核酸识别与化学催化联系起来。生物化学研究探究复制和表达如何发生、相互作用的分子如何识别各自的结合对象，以及细胞如何调控不同RNA和蛋白质的生成。通过调控，细胞能够根据自身需求，以不同的数量生成这些分子。(ncbi.nlm.nih.gov)
实验方法与应用
生物化学实验通常从破碎细胞并分离其组分开始。色谱法根据分子的大小、电荷、疏水性或结合亲和力等性质分离分子。凝胶电泳利用蛋白质或核酸在电场中的迁移来将其分离。质谱法测定分子质量，并通过分析蛋白质所含的肽段来帮助鉴定蛋白质。纯化的组分和无细胞体系使研究人员能够详细考察分子的活动。(ncbi.nlm.nih.gov)
生物化学为医学、食品科学、农业和工业领域的研究提供支持。其应用包括探究药物作用、测定食品中的化学成分、研究农用化学品与生物体之间的相互作用，以及考察与疾病相关的生物化学变化。这些应用通过分子层面的测量和经实验确立的机制，将化学过程与生物学效应联系起来。(acs.org)