Esta rama estudia la química de la vida y actúa como puente que enlaza la química y la biología, en otras palabras, estudia la estructura, organización, propiedades y funciones de los componentes que conforman la materia viva (bioquímica descriptiva), así como las transformaciones y reacciones químicas en sistemas biológicos y los efectos de dichos procesos para el mantenimiento de la vida (bioquímica dinámica). En síntesis, se encarga del estudio de lo que comprende la biología desde una perspectiva química. 
Con respecto a su origen, es muy difícil establecer debido a que algunos científicos consideran que la bioquímica se inicia junto con la química orgánica cuando Friedrich Wöhler sintetiza urea a partir de cianato amónico destruyendo los pilares del “vitalismo” y sosteniendo que un producto de los procesos vitales de los seres vivos podía ser creado en un laboratorio a partir de materia inorgánica. Otros científicos sostienen que la bioquímica comienza junto con la enzimología con el descubrimiento de la primera enzima llamada diastasa por el científico francés Anselme Payen, cuya función es hidrolizar al almidón y descomponerlo en dextrina (oligosacárido) y después en glucosa (monosacárido). Se puede encontrar en la saliva humana y en la miel.
Esta rama es tan amplia que se subdivide en áreas de estudio y aplicación más específicas. Algunas de estas son:
Química Bio-orgánica: Se encarga del estudio de propiedades, estructura, función y síntesis de las biomoléculas orgánicas (carbohidratos, proteínas, lípidos y ácidos nucleicos). También engloba el desarrollo y uso de metodologías modernas en biología y biomedicina. Se consideran fundamentales las propiedades del átomo de carbono, debido a que gracias a estas surgen muchas estructuras orgánicas que pueden ser clasificados bajo diferentes criterios. Dentro de esta área también se encuentra la enzimología, responsable del estudio de estas proteínas que actúan como biocatalizadores de varios procesos.
Algunos ejemplos de aplicación podrían ser el uso de reactivos reductores basados en metales de transición, obtención de enzimas mediante técnicas de ADN recombinante (ADN artificial formado in vitro por dos secuencias de ADN de dos organismos diferentes), preparación de aminas para ser aplicadas en organocatálisis (reacciones orgánicas catalizadas que no involucran metales o la biosíntesis de fármacos y moléculas con finales terapéuticos.
Xenobioquímica: Estudia el comportamiento de compuestos que rara vez están presentes en los organismos vivos, es decir, su estructura química usualmente no coincide con la de la materia viva, sin embargo, se les conoce como metabolitos secundarios por no poseer un rol directo en el desarrollo de un organismo. De igual modo, se involucra en el estudio de xenobióticos, compuestos sintéticos y artificiales, debido a esto no posee la misma composición que los seres vivientes, sin embargo estos pueden resultar beneficiosos debido a que son ampliamente utilizados para la elaboración de fármacos y pesticidas.
Un buen ejemplo es el análisis de las micotoxinas, metabolitos secundarios producidos por hongos que pueden ser tóxicos y perjudiciales para las bacterias (algunas micotoxinas son utilizadas en la elaboración de la penicilina) y las plantas. Un caso del uso de xenobióticos podría ser el aldrín, un insecticida usado entre los años cincuenta y setenta en cosechas de maíz y algodón y en el año 1987 se utilizó para erradicar termitas. Actualmente su uso está prohibido.
Quimiotaxonomía: Se ocupa de la clasificación de los organismos vivos en base a sus diferencias y similitudes en su composición química. El botánico y nutricionista John Griffith Vaughan fue uno de los pioneros, es por ello que inicialmente la quimiotaxonomía solo comprendía el Reino Plantae.
Genética molecular: Estudia la función y estructura de los genes y ácidos nucleicos, así como el flujo de información genética en los seres vivos. De igual manera se relaciona con la enzimología para el estudio de las enzimas involucradas en procesos estudiados por la genética molecular.
De igual modo, también se ocupa de fenómenos que consisten en la alteración del código genético: las mutaciones. Estas pueden ser de carácter génico o puntual, en las que se producen cambios que alteran la secuencia de bases de los nucleótidos del ADN, es así como el gen mutante se replica y transmite su información a la descendencia. La genética molecular también estudia las alteraciones cromosómicas, que se derivan en monosomías (síndrome de Turner) o trisomías (síndrome de Down, Klinefelter y el síndrome de la superhembra o triple X).
De igual modo, también se ocupa de fenómenos que consisten en la alteración del código genético: las mutaciones. Estas pueden ser de carácter génico o puntual, en las que se producen cambios que alteran la secuencia de bases de los nucleótidos del ADN, es así como el gen mutante se replica y transmite su información a la descendencia. La genética molecular también estudia las alteraciones cromosómicas, que se derivan en monosomías (síndrome de Turner) o trisomías (síndrome de Down, Klinefelter y el síndrome de la superhembra o triple X).
Un claro ejemplo es el proceso de replicación descrito por Watson y Crick, el cual utiliza las enzimas helicasas para romper los puentes de hidrógeno que unen las bases de las dos hebras de ADN, las cuales se replican para cada una formar una hebra complementaria y luego las topoisomerasas unen dichas hebras formando otra cadena de ADN de doble hebra.
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