生化学
抗体は、2本の重鎖と2本の軽鎖が、アミノ酸間のジスルフィド結合によって結合して構成されている。抗体は、N末端ドメインの違いにより、標的分子と特異的に結合することができる。
酵素結合免疫吸着法(ELISA)は抗体を利用した検査法で、現代医学でがさまざまな生体分子を検出するための最も高感度な方法の一つである。しかし、酵素は最も重要なタンパク質であると考えられている。生細胞内でのほぼすべての反応は、反応の活性化エネルギーを低減させるために酵素が必要である。酵素の分子は、基質と呼ばれる特定の反応分子を識別し、それらの間の反応を触媒することができる。酵素は反応の活性化エネルギーを引き下げることで、その反応速度を10倍以上に向上させ、通常、自然に起こるのに3,000年以上かかる反応を、1秒以内に起こせる可能性がある。この過程で酵素自体が使い果たされることはなく、新たな一連の基質を用いて同じ反応を触媒し続けることができる。さまざまな修飾剤を用いることで、酵素の活性を調節し、細胞の生化学的な制御を行うことができる。
タンパク質の構造は、慣例で4段階に分類される。一次構造とは、たとえば「アラニン-グリシン-トリプトファン-セリン-グルタミン酸-アスパラギン-グリシン-リジン...」というように、アミノ酸が一列に並んだ状態のことである。二次構造は、局所的な形態に着目したもので、特定のアミノ酸の組み合わせが、αヘリックスというらせん状に巻きついたり、βシートという板状に折り重なる傾向がある。下の図には、いくつかのαヘリックスをもつヘモグロビンが示されている。
タンパク質は、マクロバイオポリマーとも呼ばれる非常に大きな分子で、アミノ酸というモノマーから構成されている。各アミノ酸は、α炭素原子にアミノ基(–NH2)、カルボン酸基(–COOH、ただし生理学的条件下では–NH3や–COOとして存在する)、単一の水素原子、および固有の側鎖(一般に –R と表記される)が結合したものである。この側鎖「R」によって、20種類の標準的なアミノ酸がそれぞれ区別される。この側鎖基「R」がアミノ酸に異なる性質を与え、タンパク質の全体の立体構造に大きな影響を与える。たとえば神経伝達物質として機能するグルタミン酸のように、単独または修飾された形で機能を持つアミノ酸もある。アミノ酸は、脱水合成という過程でペプチド結合を形成し、互いに結合する。このとき、一方のアミノ酸のアミノ基の窒素と、別のアミノ酸のカルボン酸基の炭素が結びつき、水分子が放出される。こうして作られた分子をジペプチドと呼び、短いアミノ酸の配列(通常は30個以下)はペプチドまたはポリペプチド、より長い鎖はタンパク質と呼ばれる。たとえば、血清タンパク質であるアルブミンは、585個のアミノ酸残基から構成されている。
タンパク質は、構造的な役割と機能的な役割の両方に関与している。たとえば、アクチンとミオシンというタンパク質は、骨格筋の収縮を担っている。多くのタンパク質が持つ特性の1つは、特定の分子または分子群に特異的に結合する能力を持つことである。たとえば、抗体は、特定の1種類の分子に結合するタンパク質である。
生化学実験はIn vitro実験とも呼ばれるように生体細胞の細胞器官内で生じる生化学反応を、複雑な代謝経路や調節機構から切り離してまさに試験管のなかで再現することで研究が進展してきた。21世紀に入ると標識化技術や測定技術の進歩で生きている細胞内で生化学反応を間接的に追跡することも可能になってきたが、生体組織から目的の成分を分離精製する実験技術は生化学研究においては重要な研究技術である。
一般に消化酵素やホルモンのように分泌型の生体物質でない限りは、酵素や受容体を含めて目的の生体物質は特定の組織細胞の特定の細胞小器官にのみ発現・存在している。したがって、生化学実験は標的組織を多数採集し、そこから目的の生体物質を分離精製するところから始まる。
DNAのように細胞破砕後に、エタノール沈澱するだけで捕集できるものもあるが多くの場合、細胞破砕後に密度勾配法による遠心分離で目的の細胞内器官を密度により選択し捕集する。溶液には塩化セシウムなどが用いられる。この状態では多くの場合、酵素や受容体は細胞膜に取り込まれていたり、膜の二重層に埋め込まれているので、界面活性剤を使って脂質膜と分離〈可溶化〉する必要がある。
核酸は、細胞核に多く存在する生体高分子群の総称であり、すべての生きた細胞やウイルスで遺伝情報の源として使用されている。核酸は、ヌクレオチドと呼ばれるモノマーから構成された、複雑で高分子量の生化学高分子である。各ヌクレオチドは、含窒素複素環塩基(プリンまたはピリミジン)、ペントース糖、およびリン酸基の3つの成分から構成されている。
もっともよく知られている核酸は、デオキシリボ核酸(DNA)とリボ核酸(RNA)の2種類である。これらの生体高分子では、各ヌクレオチドのリン酸基と糖が結合して骨格を形成し、窒素塩基の配列が遺伝情報の保存を担っている。一般的な窒素塩基は、アデニン、シトシン、グアニン、チミン、ウラシルの5種類である。核酸の鎖に含まれる核酸塩基は、水素結合によって互いに結合し、ジッパーのように相補的な窒素塩基の対を作る。アデニンはチミンまたはウラシルと結合し、チミンはアデニンとのみ、シトシンとグアニンとのみ結合する。ことができる。アデニンとチミン、アデニンとウラシルはそれぞれ2つの水素結合を形成し、シトシンとグアニンの間は3つの水素結合を形成する。
細胞の遺伝物質としての役割に加え、細胞内のセカンドメッセンジャーとしての役割を担うことも多い。また、すべての生物に存在する主要なエネルギー担体分子であるアデノシン三リン酸(ATP)の構成要素でもある。RNAとDNAの窒素塩基は異なり、アデニン、シトシン、グアニンは両方に存在し、チミンはDNAにのみ、ウラシルはRNAにのみ存在する。