Molekyylibiokemia on elävien organismien toimintojen tutkimus. Se keskittyy erityisesti kemiallisiin prosesseihin, jotka liittyvät organismien rakenteeseen ja toimintaan molekyylitasolla. Molekyylibiokemiaa tutkivat yksilöt keskittyvät voimakkaasti näiden molekyylien eri yhdistelmissä esiintyvien proteiinien, lipidien, hiilihydraattien ja nukleiinihappojen biokemialliseen tutkimukseen.
Molekyylit voivat olla hyvin suuria ja monimutkaisia ja koota suuriksi yksiköiksi, joita kutsutaan polymeereiksi. Nämä makromolekyylit käyttävät toistuvia rakenneyksiköitä, jotka on yhdistetty jakamalla elektroni. Tämä prosessi tunnetaan kovalenttisena kemiallisena sidoksena. Polymeerit hajotetaan sitten alayksiköiksi, joita kutsutaan monomeereiksi. Yleisin näistä monomeereistä on glukoosi, joka sitoutuu yhteen selluloosan ja tärkkelyksen muodostamiseksi. Toinen yleinen polymeeri on proteiini, joka koostuu aminohapoista. Molekyylibiokemikot pyrkivät ymmärtämään näiden monomeerien rakennetta ja niiden laajempaa polymeerien luomista sekä sitä, miten ne toimivat ja ovat vuorovaikutuksessa organismin sisällä.
Yksi molekyylibiologian tärkeimmistä näkökohdista on ymmärtää molekyylien kemialliset ominaisuudet. Solujen aineenvaihdunta on esimerkki tutkimuksesta, jossa käytetään molekyylibiokemiaa. Kemiallisia reaktioita esiintyy kaikissa elävissä organismeissa ja niitä tarvitaan elämän ylläpitämiseen. Erilaiset prosessit solussa ovat vastuussa lisääntymisestä, rakenteen ylläpidosta ja autonomisesta reaktiosta ärsykkeisiin. Molekyylibiokemistit tutkivat kahta päämetaboliaa: kataboliaa ja anaboliaa. Katbolismi on prosessi, jossa aine hajoaa ja energia kerätään soluhengityksessä. Anabolismi käyttää energiaa solun eri komponenttien rakentamiseen.
Molekyylien elävien rakenteiden lisäksi molekyylibiokemia tutkii myös viruksia. Virukset voivat lisääntyä vain isännän solun sisällä, mikä tekee niistä pseudo-elämänmuodon. Nämä kokonaisuudet voivat vaikuttaa molekyylien eri osiin vaikuttamalla kaikkeen proteiinisynteesistä solukalvon kuljetukseen. Kaikentyyppiset organismit, kasvit tai eläimet, voivat tarttua viruksiin. Molekyylibiokemikot ovat tunnistaneet yli 5,000 virustyyppiä maailmanlaajuisesti lähes jokaisessa kuviteltavissa olevassa ekosysteemissä. Molekyylibiokemian haara, joka tutkii näitä organismeja, tunnetaan virologiana.
Molekyylibiokemia alkoi 1800 -luvun alussa Friedrich Wohlerin kanssa. Hän julkaisi paperin, joka osoitti, että urean orgaaninen yhdiste voidaan syntetisoida vuonna 1828. Tämän jälkeen Anselme Payen löysi vuonna 1833 sokereita hajottavan amylaasientsyymin. Amylaasi oli ensimmäinen tunnistettu entsyymi ja osoitti, että molekyylin eri aineet olivat vastuussa erilaisista vaikutuksista. Tutkimukset jatkuivat seuraavien vuosikymmenten aikana, mikä toi esiin uusia käsitteitä, kuten DNA: n. Nykyään molekyylibiokemia on yksi tärkeimmistä näkökohdista elämän rakennuspalikoiden ymmärtämisessä.