vignette| Relations schématiques entre la biochimie, la génétique et la biologie moléculaire.
La biochimie est l'étude des réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, et notamment dans les cellules. La complexité des processus chimiques biologiques est contrôlée à travers la signalisation cellulaire et les transferts d'énergie au cours du métabolisme. Depuis un demi-siècle, la biochimie est parvenue à rendre compte d'un nombre considérable de processus biologiques, au point que pratiquement tous les domaines de la biologie, depuis la botanique jusqu'à la médecine, sont aujourd'hui engagés dans la recherche biochimique, voire biotechnologique. L'objectif principal de la biochimie de nos jours est de comprendre, en intégrant les données obtenues au niveau moléculaire, comment les biomolécules et leurs interactions génèrent les structures et les processus biologiques observés dans les cellules, ouvrant la voie à la compréhension des organismes dans leur ensemble. Dans ce cadre, la chimie supramoléculaire s'intéresse aux complexes moléculaires tels que les organites, qui constituent un niveau d'organisation de la matière vivante intermédiaire entre les molécules et les cellules.
La biochimie s'intéresse en particulier aux structures, aux fonctions et aux interactions des macromolécules biologiques telles que les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques, qui constituent les structures cellulaires et réalisent de nombreuses fonctions biologiques. La chimie cellulaire dépend également de molécules plus petites et d'ions. Ces derniers peuvent être inorganiques, par exemple l'ion hydronium , l'hydroxyle OH− ou des cations métalliques, ou bien organiques, comme les acides aminés qui constituent les protéines. Ces espèces chimiques sont essentiellement constituées d'hydrogène, de carbone, d'oxygène et d'azote ; les lipides et les acides nucléiques contiennent en plus du phosphore, tandis que les protéines contiennent du soufre et que les ions et certains cofacteurs sont constitués ou comprennent des oligoéléments tels que le fer, le cobalt, le cuivre, le zinc, le molybdène, l'iode, le brome et le sélénium.
Les résultats de la biochimie trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que la médecine, la diététique ou encore l'agriculture ; en médecine, les biochimistes étudient les causes des maladies et les traitements susceptibles de les soigner ; les nutritionnistes utilisent les résultats de la biochimie pour concevoir des régimes alimentaires sains tandis que la compréhension des mécanismes biochimiques permet de comprendre les effets des carences nutritionnelles ; appliquée à l'agronomie, la biochimie permet de concevoir des engrais adaptés aux différents types de cultures et de sols ainsi que d'optimiser le rendement des cultures, le stockage des récoltes et l'élimination des parasites.
On prête à Carl Neuberg l'introduction de ce terme en 1903 à partir de racines grecques, mais ce terme circulait déjà en Europe depuis la fin du . Avec la biologie moléculaire et la biologie cellulaire, la biochimie est l'une des disciplines qui étudient le fonctionnement du vivant. Elle recouvre elle-même plusieurs branches, telles que la bioénergétique, qui étudie les transferts d'énergie chimique au sein des êtres vivants, l'enzymologie, qui étudie les enzymes et les réactions qu'elles catalysent, ou encore la biologie structurale, qui s'intéresse aux relations entre les fonctions biochimiques des molécules et leur structure tridimensionnelle.
La biochimie s’intéresse également à décrypter les fonctions du microbiote humain.
Éléments chimiques du vivant
Environ 25 éléments chimiques sur les naturels de la classification périodique sont nécessaires à différentes formes de vie. Les éléments présents à l'état de traces dans le milieu naturel ne sont généralement pas utilisés par les êtres vivants, à l'exception notable de l'iode et du sélénium, tandis que certains éléments abondants tels que l'aluminium ou le titane ne sont pas nécessaires à la vie. La plupart des organismes utilisent les mêmes éléments chimiques, mais il existe quelques différences chez les plantes et les animaux. Par exemple, certaines algues océaniques utilisent le brome tandis que les plantes terrestres et les animaux ne semblent pas en avoir besoin. Tous les animaux ont besoin de sodium, mais certaines plantes s'en dispensent. En revanche, les plantes ont besoin de bore et de silicium pour se développer, tandis que les animaux ne semblent pas en faire usage.
La masse du corps humain est constituée approximativement à 65 % d'oxygène et à 98,5 % de seulement six éléments chimiques Thomas J. Glover, comp., Pocket Ref, éd. (Littleton: Sequoia, 2003), Geigy Scientific Tables, Ciba-Geigy Limited, Bâle, Suisse, 1984.. Distribution of elements in the human body (by weight) (consulté le )... : outre l'oxygène, ce sont environ 18 % de carbone, 10 % d'hydrogène, 3 % d'azote, 1,4 % de calcium et 1,1 % de phosphore. On compte également des quantités plus faibles de potassium, soufre, sodium, chlore, magnésium, fer, fluor, zinc, silicium et d'une douzaine d'autres éléments, qui ne sont pas tous nécessaires à la vie..
Biomolécules Les quatre classes principales de molécules biochimiques, également appelées biomolécules, sont les glucides, les lipides, les protéines et les acides nucléiques. De nombreuses macromolécules biochimiques sont des polymères, constitués de l'assemblage d'unités plus petites appelées monomères ; ces monomères sont de petites molécules qu'il est possible de libérer du biopolymère par hydrolyse. Plusieurs de ces biomolécules sont susceptibles de former des complexes moléculaires de grande taille qui assurent souvent des fonctions biochimiques indispensables à la vie de la cellule.
Glucides
vignette|Cristaux de saccharose ou sucre de table, le plus familier des glucides.
Les glucides sont constitués de monomères appelés oses. Le glucose, le fructose et le galactose sont des oses. Ces derniers sont classés en fonction du nombre de leurs atomes de carbone : trioses en , tétroses en , pentoses en , hexoses en , heptoses en , les plus courants étant les pentoses et hexoses.
D'un point de vue chimique, on distingue d'une part les aldoses, qui sont composés d'une chaîne d'alcools secondaires ayant à une extrémité un groupe aldéhyde, et d'autre part les cétoses, qui possèdent une fonction cétone dans leur chaîne carbonée, les autres atomes de carbone étant porteurs d'une fonction alcool primaire ou secondaire selon la position.
Les oses jouent un rôle majeur dans le métabolisme énergétique de la cellule, mais aussi dans la biosynthèse des acides nucléiques, des cérébrosides et des glycoprotéines. Ils peuvent également intervenir dans certains mécanismes de détoxication, par exemple à travers la conjugaison avec l'acide glucuronique (Glycuroconjugaison) formant des molécules plus pôlaires et permettant leur élimination rénale.
Deux oses peuvent s'unir à travers une liaison osidique pour former un diholoside : le saccharose est un diholoside constitué d'un résidu de glucose d'un résidu de fructose unis par une liaison osidique (1→2) ; le lactose en est un autre constitué d'un résidu de galactose et d'un résidu de glucose unis par une liaison osidique β(1→4). Au-delà de deux résidus, on parle d'oligosaccharides jusqu'à dix résidus et de polysaccharides au-delà : sont des biopolymères constitués plusieurs résidus osidiques d'oses qui interviennent dans le stockage de l'énergie (amidon, glycogène) et dans la rigidité de certains organismes (cellulose, chitine).
Chez les bactéries, les glucides constituent selon les cas l'essentiel du peptidoglycane ou du lipopolysaccharide de la paroi bactérienne. Ils sont responsables des réactions immunitaires de l'organisme exposé à ces bactéries. Ce sont également des déterminants antigéniques, ou épitopes, importants à la surface des cellules d'eucaryotes. Ils déterminent les groupes sanguins et sont une part importante du complexe majeur d'histocompatibilité, ou CMH.
Quelques exemples de glucides : le glycéraldéhyde est l'ose le plus simple dans la classe des aldoses, c'est un aldotriose (). De même pour la dihydroxyacétone dans la classe des cétoses (cétotriose). Le ribose est un aldopentose () qui entre dans la composition des acides nucléiques ; le glucose (« gluco », du grec glukus, saveur sucrée) est un aldohexose de formule . On le trouve dans les fruits mûrs, le nectar des fleurs, la sève, le sang et certains sirops ; le fructose (du latin fructus, fruit) appelé aussi lévulose, est un cétohexose. On le rencontre dans les fruits, le miel, dans certaines boissons sucrées et dans les sécrétions séminales ; le saccharose (du grec sakkharon, sucre) de formule est un disaccharide qui donne par hydrolyse du glucose et du fructose. On le trouve dans la plupart des végétaux et en particulier dans la betterave sucrière, la canne à sucre ; le maltose est un disaccharide qui donne par hydrolyse deux molécules de glucose ; le lactose est un disaccharide qui donne par hydrolyse un glucose et un β-galactose. On trouve le lactose notamment dans le lait et les produits laitiers.
Lipides
thumb|Beurre.
Définition Les lipides, du grec « lipos » (« graisse »), constituent une classe assez hétérogène de molécules. Sont regroupées sous cette dénomination les molécules ayant un caractère hydrophobe marqué, c'est-à-dire très peu solubles dans l'eau mais solubles dans la plupart des solvants organiques, comme le chloroforme, par exemple. Nous trouvons aussi des lipides dans la cire de bougie, les graisses animales, l'huile d'olive et pratiquement tous les corps gras. La biochimie a complété cette définition en montrant que les lipides possédaient des voies de synthèse communes. Cependant, il n'existe pas encore de définition unique d'un lipide reconnue par l'ensemble de la communauté scientifique. Ceci tient probablement au fait que les lipides forment un ensemble de molécules aux structures et aux fonctions extrêmement variées dans le monde du vivantLe site LIPD MAPS, un site de ressource sur les lipides, comptait le 16 août 2006..
D'un point de vue métabolique, les lipides constituent des réserves énergétiques. Les sucres sont par exemple transformés en lipides et stockés dans les cellules adipeuses en cas de consommation supérieure à l'utilisation.
Les lipides, en particulier les phospholipides, constituent l'élément majeur des membranes cellulaires. Ils définissent une séparation entre le milieu intracellulaire et le milieu extracellulaire. Leur caractère hydrophobe rend impossible le passage de molécules polaires ou chargées, comme l'eau et les ions, car ils forment des groupes très compacts issus de liaisons covalentes faibles appelées interaction hydrophobe. Seules voies de passage possible : les protéines membranaires où, par exemple, les ions entrent et sortent de la cellule par le biais de canaux ioniques.
Plusieurs hormones sont des lipides, en général dérivées du cholestérol (progestérone, testostérone, etc.), ce qui permet d'agir comme filtre aux entrées des cellules. Les vitamines liposolubles peuvent aussi être classées parmi les lipides.
Contrairement aux acides nucléiques ou aux protéines, les lipides ne sont pas des macromolécules constituées d'une succession d'unités de base.
Structure et classification Les lipides peuvent être classés selon la structure de leur squelette carboné (atomes de carbone chaînés, cycliques, présence d'insaturations, etc.) Fahy E., Subramaniam S., Brown H.A., Glass C.K., Merrill A.H. , Murphy R.C., Raetz C.R., Russell D.W., Seyama Y., Shaw W., Shimizu T., Spener F., van Meer G., van Nieuwenhze M.S., White S.H., Witztum J.L., Dennis E.A. (2005), A comprehensive classification system for lipids, J. Lipid Res., (5):839-861 :