Biokemia

Biokemia on eliöiden kemiallista rakennetta ja niissä tapahtuvia kemiallisia muutoksia tutkiva luonnontieteen haara. Biokemian perimmäisenä tavoitteena on ymmärtää ja selittää kemiallisin termein elävien solujen ja organismien kaikki kemialliset prosessit. Biokemialla on paljon yhteistä solubiologian, molekyylibiologian ja molekyyligenetiikan kanssa. Tyypillisiä biokemiallisia tutkimuskohteita ovat muun muassa proteiinien, hiilihydraattien, lipidien, nukleiinihappojen ja muiden soluissa esiintyvien biomolekyylien rakenne ja toiminta.
Biokemia ja lääketiede tukevat toisiaan vastavuoroisesti, koska esimerkiksi lääkkeiden vaikutus perustuu ihmisen tai muiden eliöiden biokemiaan. Biokemialliset tutkimukset kehittävät lääketiedettä, ja vastaavasti kehittyvä lääketiede tuottaa uusia biokemiallisia aloja ja tutkimuskohteita. Biokemia rationalisoi lääketiedettä ja luo sille tieteellisen perustan.

Biokemian kehitys

1770-luvulla ruotsalainen kemisti Torbern Bergman esitti orgaanisen ja epäorgaanisen aineen käsitteen. Elävien organismien aineiden eli orgaanisten aineiden tiedettiin poikkeavan mineraaleista eristetyistä aineista eli epäorgaanisista aineista. Orgaanisia aineita oli vaikea eristää ja puhdistaa laboratoriokäyttöön.
1800-luvun puoleenväliin asti useimmat luonnontieteilijät uskoivat orgaanisissa aineissa olevan "elämänvoimaa", joka selittäisi niiden erityiset ominaisuudet. Tämä ns. vitalistinen ajattelu elollista luontoa koskien oli ollut käytössä Aristoteleen aloittamasta biologisesta tutkimuksesta lähtien. 1816 Michel Chevreul onnistui kuitenkin todistamaan, että saippua oli jaettavissa orgaanisiin aineisiin – glyseriiniin ja rasvahappoihin. Lopullisen pohjan vitalismiteorioilta vei Friedrich Wöhlerin vuonna 1828 kehittämä tapa syntetisoida epäorgaanisesta ammoniumsyanaatista orgaanista ureaa. Orgaanisiin aineisiin todettiin pätevän samat lainalaisuudet kuin epäorgaanisiinkin. Vuonna 1833 Anselme Payen löysi ensimmäisen entsyymin, diastaasin.
Koska elävät organismit sisältävät runsaasti hiiltä, orgaaninen kemia käsitteenä laajentui yleisesti hiiliyhdisteiden kemiaksi. Epäorgaaninen kemia vastaavasti muotoutui muiden kuin hiiliyhdisteiden kemiaksi. Luonnossa esiintymättömien orgaanisten yhdisteiden, kuten muovien, syntetisoimisen myötä biokemia muotoutui tarkoittamaan elävien organismien kemiaa – orgaanista ja epäorgaanista. Sillä tavoin biokemia tarkoittaa 2000-luvulla samaa, mitä orgaaninen kemia tarkoitti 1800-luvun alussa.
Biokemiaa on sovellettu kauan ilman sen kunnollista ymmärtämistä. Yksi vanhimpia biokemiallisia sovelluksia on 5000 vuotta sitten keksitty tapa valmistaa leipää hiivan avulla.

Kemiallinen perusta

Luonnossa esiintyvistä noin 90 alkuaineesta noin 30 on organismeille elintärkeitä. Vety, happi, typpi ja hiili muodostavat yli 99% useimpien solujen massasta. Ne ovat myös keveimpiä kovalenttisia sidoksia muodostavia alkuaineita.

Biomolekyylit

Biomolekyylit ovat hiiliyhdisteitä, joissa on erilaisia funktionaalisia ryhmiä. Hiiliatomit muodostavat kukin neljä yksinkertaista kovalenttista sidosta. Hiilen sidos toiseen hiileen, happeen tai typpeen voi olla myös kaksoissidos. Kovalenttiset kolmoissidokset ovat biomolekyyleissä harvinaisia. Yksinkertaisia sidoksia muodostavan hiilen sidoskulmat ovat tetraedrisesti 109,5°, ja sidokset ovat keskimäärin 0,154 nm:n pituisia. Yksinkertainen sidos mahdollistaa kiertymisen internuklisen akselin suhteen. Kaksoissidos on lyhyempi, 0,134 nm, sekä jäykkä eikä siten salli kiertymistä.
Biomolekyyleissä kovalenttisesti sitoutuneet hiiliatomit voivat muodostaa suoria, haaroittuneita tai syklisiä rakenteita. Useimmat biomolekyylit ovat hiilivetyjen johdannaisia, joissa vetyatomi on korvautunut jollain funktionaalisella ryhmällä. Funktionaalinen ryhmä on atomiryhmä, jonka johdosta molekyylillä on jokin erityinen kemiallinen ominaisuus. Esimerkiksi aminoryhmä -NH₂ ja hydroksyyliryhmä -OH ovat funktionaalisia ryhmiä.