Die medizinische Chemie ist ein Teilgebiet der Pharmazie und der Chemie. Sie befasst sich mit der Entdeckung und der Optimierung biologisch aktiver Verbindungen. Diese können sowohl als pharmakologische Werkzeuge (Tool-Verbindungen), z.B. zur Aufklärung neuartiger Wirkungsmechanismen, als auch als Leitstrukturen zur Entwicklung neuer Arzneistoffe dienen.

Basis der medizinischen Chemie sind daher alle wissenschaftlichen Grundlagen und Methoden, die für die Identifizierung und Optimierung neuer Arzneistoffe notwendig sind. Hierzu gehört die Identifizierung krankheitsverursachender oder für den Krankheitsverlauf relevanter Gene, Proteine und Signalwege.

Die universitäre Grundlagenforschung sowie die industrielle Pharmaforschung befassen sich mit dem Design und der Synthese von Wirkstoffen sowie der Untersuchung von Wirkstoffen und ihren pharmakologischen Wirkmechanismen mit biologischen, biochemischen, pharmakologischen und physikochemischen Methoden. Das Spektrum an wissenschaftlichen Aktivitäten umfasst neben der Synthesechemie u.a. auch die Entwicklung und den Einsatz biologischer Testsysteme. Dabei kommen beispielsweise computergestützte Ansätze, molekularbiologische/biochemische Techniken, chromatographische Trennverfahren und spektroskopische Analysemethoden zur Anwendung.

Die automatisierte Untersuchung sehr großer "Substanzbibliotheken" auf ihre biologische Wirkung bietet dabei eine aussichtsreiche Möglichkeit, neue Leitstrukturen zu identifizieren. Heute sind solche großen Substanzbibliotheken gut über effiziente chemische Synthesen herstellbar. Auch von Naturstoffen abgeleitete Wirkstoffe und deren synthetische Variation mit dem Ziel ihrer Optimierung spielen nach wie vor eine wichtige Rolle in der Medizinischen Chemie

Die Aufklärung der dreidimensionalen Struktur von Biomolekülen durch Röntgenstrukturanalyse und der Einsatz von Computern zur Modellierung ihrer Bindungsstellen bilden eine wichtige Grundlage, um mit Hilfe von virtuellen Screening-Ansätzen neuartige bioaktive Wirkstoffmoleküle zu identifizieren.

In Struktur-Eigenschafts- und Struktur-Wirkungs-Optimierungszyklen werden die Verbindungen soweit strukturell verbessert, dass sie sich für die Entwicklung als neue Arzneistoffe eignen.
 
Arzneistoffentwicklung ist ein aufwändiges, komplexes Vorhaben. Die Tatsache, dass von Millionen chemischer Verbindungen im günstigsten Fall nur Tausende als "Hits" die gewünschte Wirkung besitzen, zeigt die Schwierigkeiten auf. Für die nachfolgende strukturelle Optimierung in Bezug auf hohe Wirksamkeit, Resorption, Verteilung im Organismus, Metabolismus und Ausscheidung, gute Verträglichkeit und ökonomische Darstellbarkeit kommen wieder bleiben wieder nur wenige Substanzen im Rennen, die schließlich zu wenigen klinischen Kandidaten führen. Von denen wird im Allgemeinen nur jeder zehnte nach mehrjähriger klinischer Erprobung als Arzneimittel zugelassen werden.

Aspekte der medizinischen Chemie werden in einer Reihe von Studiengängen (z.B. Wirkstoff-, Naturstoffchemie, Life Science) vermittelt.

Voraussetzung für das zweijährige Masterstudium in medizinischer Chemie, in Arzneimittelforschung/Drug Design mit Schwerpunkt medizinische Chemie oder in vergleichbaren Masterstudiengängen an pharmazeutischen Instituten ist in der Regel ein Bachelorabschluss im Fach Chemie oder Biochemie, ein Staatsexamen in Pharmazie oder in Lebensmittelchemie, oder ein gleichwertiger in- oder ausländischer Abschluss in einem „einschlägigen“ Studienfach.

Chemikerinnen und Chemiker wissen bereits viel über organische Synthesen, Analytik und Strukturaufklärung. Dieses Wissen wird im Masterstudium medizinische Chemie im Wesentlichen wie bei der Ausbildung eines M.Sc. in der organischen Chemie erweitert und vertieft. Grundlegende, für Wirkstoffforschung und -entwicklung wichtige Aspekte aus der Biologie, Biochemie, Pharmakologie und Pharmazie sind meist jedoch zu Beginn des Studiums weitgehend unbekannt. Dieser Ausgangssituation wird durch entsprechende Grund- und Aufbaumodule Rechnung getragen.

Vorlesungen, Seminare und Praktika in medizinischer Chemie befassen sich mit den Grundlagen der biologischen Aktivität von Wirkstoffen, vermitteln molekularbiologische, biochemische, pharmakologische und computergestützte Methoden des "Drug Designs", helfen bei der Analyse von Struktur-Wirkungs-Beziehungen und vertiefen therapeutische Konzepte (Pathophysiologie, -biochemie, Zielproteine) und vermitteln die entsprechenden Arzneistoffgruppen (Synthesen, molekulare Wirkungsmechanismen, Metabolisierung, Pharmakokinetik). In der Bioanalytik/Biochemie geht es um die Prinzipien und den Einsatz von Biosensoren, Biochips und Methoden des Hochdurchsatz-Screenings zur Messung biologischer Wirkungen.

Das Thema der Masterarbeit kann auf der Grundlage dieser Ausbildung chemische und pharmakologische Aspekte umfassen, beispielsweise die Synthese und Charakterisierung biologisch aktiver Substanzen, die an ein bestimmtes Zielprotein binden und dadurch eine gewünschte Wirkung haben.

Die pharmazeutische Industrie ist weltweit der forschungsintensivste Industriezweig. Unter den zehn Firmengruppen mit den höchsten Ausgaben für Forschung und Entwicklung befanden sich 2009 sechs Konzerne aus dem Bereich Pharma/Healthcare. Diese Firmen suchen nach sehr gut ausgebildeten Chemikerinnen und Chemikern, die die organische Synthesechemie beherrschen und die speziellen Strategien, Ansätze und Methoden der Arzneistoffentdeckung und -entwicklung kennen.

Meist befassen medizinische Chemikerinnen und Chemiker sich mit der Synthese chemischer Verbindungen, die spezifisch an biologisch relevante Targetmoleküle (Enzyme) binden. Hierbei haben sie typischerweise eine spezifische Krankheitsindikation im Sinn (Krebs, Herz-Kreislauf, Nervensystem etc.). Dabei spielen die entsprechenden pharmakologischen Testmethoden eine große Rolle (Bioassays). So lassen sich z.B. neue Therapiekonzepte, abgeleitet aus der Analyse krankheitsrelevanter Gene, und ihre Validierung untersuchen. Die Ausbildung in medizinischer Chemie verschafft eine hervorragende Basis für die Diskussion und die Zusammenarbeit mit beteiligten Fachleuten aus verschiedenen Disziplinen (Biologie, Pharmakologie, Pharmakokinetik, Toxikologie, Computerwissenschaften etc.).

In zunehmendem Maße suchen auch kleinere biotechnologische Firmen einschließlich staatlich geförderter Gründungsunternehmen medizinische Chemikerinnen und Chemiker, beispielsweise im Zusammenhang mit innovativen Synthese- und Analysemethoden (Parallelsynthesen, kombinatorische Chemie, Biosensoren, Biochips) oder neuen Ansätzen zur Therapie von Tumoren und degenerativen Erkrankungen (Genanalyse und -therapie, Antikörper, Biologicals). Kleinere Biotech-Unternehmen spielen eine immer größere Rolle auf der Suche nach Innovationen für die Arzneimittelindustrie. Dies zeigt sich u.a. daran, dass auch große Pharmaunternehmen immer intensiver mit kleinen Unternehmen aus der Biotech zusammenarbeiten und so gemeinschaftlich neue Konzepte voranbringen.