生物分子包括人們常説的四類大分子：蛋白質、核酸、多糖和脂肪，也包括各種類型的小分子比如激素、信使、代謝產物和天然產物等。研究生物分子的性質與功能以及它們在生命過程中所扮演的角色對於健康、醫藥和認識自然都至關重要。由於這些分子絕大多數都是含碳化合物，有機化學在這些研究中自然不可或缺。
古人雖然沒有蛋白質的概念，但很早就知道一些蛋白質可以食用，并且是獨立的物質。比如羅馬帝國時期的老普林尼（Pliny the Elder，23－79）在其《博物志》就提到了蛋清、魚膠、明膠和酪蛋白等。這些不但可以作爲食物，還有其它功用，比如魚膠可用來製作膠水。這個局面一直維持到現代科學的誕生。
19世紀中期以前，人們通過對食物腐敗現象的觀察，認爲這是生命在食物中自發產生的結果。法國科學家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）通過實驗證明，經過高溫處理的肉湯只要嚴格隔絕空氣，便可以在一定時間内避免腐敗。這説明了兩點。第一，空氣中一定存在有生命或者引發生命的條件。第二，通過高溫處理，可以消滅空氣中的生命體。這就是今日「巴斯德」消毒法的由來。限於當時的條件，巴斯德尚無法確定空氣中的生命體是什麽。經過進一步對糖類發酵過程的研究，他認爲酵母引發發酵的能力是和酵母息息相關的。沒有酵母，就不會有發酵。
但1897年德國化學家比希納（Eduard Buchner，1860－1917年）發現，發酵過程並不需要酵母的全細胞，酵母的提取物就足夠了。他提出，酵母中存在一種叫做「酶」的物質，是發酵過程的關鍵。後來發現，酶在其它生命過程中也非常重要。研究者們提純了一些酶，并在實驗中確認了這些酶的催化功能。1902年，德國化學家費歇爾通過化學方法證明，酶是蛋白質，而蛋白質的基本砌塊是氨基酸（具體説，全部都是L-型氨基酸）。1940年代末，蛋白質測序法發展起來。第一個蛋白質（人胰島素）的測序到1953年才完成。
相對於蛋白質和糖類，核酸的發現是更晚近的事情，原因之一可能是它對人類沒有任何直接的功用。1871年，瑞士醫生米歇爾（1844–1895年）在人白細胞的細胞核中發現了一種含磷的物質，他稱之爲「核素」。後來，米歇爾甚至推測，核素可能和遺傳有關。但是這個發現和他的觀點太超前，以至於湮沒了幾十年。到20世紀30年代，人們已經認識到兩種不同的核酸，即RNA和DNA；在核酸的化學組成上也知道了几種核苷酸。但是當時對核酸的功能仍然存在爭議。有人甚至認爲，蛋白質由於其多樣性才有可能肩負遺傳信息的可能性，而核酸結構太過於簡單，不可能扮演中心的角色。
這種爭論一直持續到1950年代。1928年，英國細菌學家格里菲斯（1877–1941年）發現滅活的致死性肺炎病菌和非致死性肺炎病菌混合後，重新產生了致死性。這説明，前者擁有的某種物質導致了後者的轉化。1943年，美國醫生埃弗里（1877–1955年）通過實驗指出，該物質就是病菌的DNA。1952年，美國遺傳學家赫爾希（1908–1997年）的實驗最終令人信服地證明了DNA確是生物的遺傳物質。
大約與此同時，對蛋白質和核酸結構的認識，在經歷了幾十年的積澱之後，出現了重大的飛躍。同以往的科學突破一樣，生化革命的催化劑之一仍是分析技術。這一次最重要的貢獻來自X射綫晶體衍射技術。這時的X射綫衍射已經能確定較複雜分子的結構，甚至可以厘清一個分子中所有碳的絕對立體構型。1953年，根據X射綫晶體學的結果，美國分子生物學家華生（1928–）和英國分子生物學家克里克（1916–2004年）提出了DNA的雙螺旋結構。人們開始意識到，孟德爾和摩爾根遺傳學中的「基因」其實就是DNA的片段。對於蛋白質，美國化學家鮑林于1951年提出了ɑ螺旋的結構。1958年，肌紅蛋白和血紅蛋白成爲首批三維結構得到完全解析的蛋白質。數據顯示，除ɑ螺旋之外，蛋白質還擁有更多樣、複雜的砌塊和内部結構。這些事件標志著生物化學的研究對象從細胞水平開始轉向分子水平。
1958年，克里克提出了分子生物學的「中心法則」。簡單地說，DNA是製造RNA的模板，而後者又是製造蛋白質的模板。但是這個過程的具體細節到了1964年才被發現。製造蛋白質的過程中，DNA上的基因先轉錄為信使RNA（mRNA）。下一步發生在核糖體中。轉運RNA（tRNA）一端結合在mRNA上，另一端携帶特定氨基酸。在酶的幫助下，核糖體將tRNA携帶的氨基酸連接起來，「翻譯」生成多肽鏈。通常核糖體的產品還要經過一系列後處理，才生成具有功能的蛋白質。每三個DNA核苷酸對應一個氨基酸。這些三位一組的核苷酸序列被稱爲遺傳密碼。地球上幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼。
現在已經發現，核糖體中生成肽鍵的催化中心是RNA，而不是氨基酸。但是多種酶在蛋白質的生物合成中起到了重大的作用。比如DNA在轉錄過程中，需要DNA解旋酶、RNA聚合酶等才能生成mRNA；在翻譯過程中需要氨基酰tRNA合成酶、肽鏈延伸因子等等。除了20中常見氨基酸之外，蛋白質生物合成需要超過兩百種生物分子，是一個極其精妙、複雜、步步都受到細緻調控的機制。缺少任何一個環節和物料就會出現蛋白質合成的中斷。這樣一個過程如何能一步步進化而來，至今沒有讓人信服的證據。
1970年，在病毒中發現了逆轉錄酶。這種酶以RNA為模板合成DNA。後來又發現了各種各樣的RNA病毒。它們原生的遺傳物質不是DNA，而是RNA。這種病毒進入宿主之後，通過逆轉錄酶合成DNA，然後劫持宿主的核酸複製和蛋白質合成流程，大量製造病毒顆粒。比如艾滋病毒就是這樣的逆轉錄病毒之一。這些發現補充和完善了中心法則。
迄今爲止尚未發現有生命體能通過蛋白質為模板，合成RNA或者DNA。但是由於自然的神奇創造力，這種可能性不能立即排除。另一方面，這種可能性也許毫無必要；自然或已經找到了繞過中心法則的辦法。朊蛋白（或稱普裏昂，prion）是人和很多動物體中的一種常見蛋白質，據説和神經發育以及認知能力有關。但在某些條件下，朊蛋白可以由正常構象不可逆的轉化爲致病構象，引發多種致死性疾病，包括瘋牛病和克雅氏症。其轉化過程不牽涉核酸和其它酶，唯一的引發劑就是致病性朊蛋白。因此常用的高溫消毒法無法防止瘋牛病的傳染。其它一些蛋白質也發現了構象不可逆轉化的跡象，説明朊蛋白可能不是唯一能發生這種變化的蛋白質。這些重要發現對分子生物學理論體系的建構做出了重大貢獻。
生物技術給我們的生活帶來了重大的影響，尤其體現在在醫藥衛生方面。比如胰島素以前是從豬的胰腺中提取，不但價格昂貴，而且會引起一些病人的不良反應，因爲豬胰島素和人胰島素有一個氨基酸的差異，提取時有可能受到其它動物過敏原的微量污染。現在的胰島素基本都是經過基因工程改造的細菌（比如大腸桿菌）製造的人胰島素。再比如，抗癌藥紫杉醇的製備是個複雜過程。以前一直是通過從紫衫的樹皮中提取前體，在經過進一步加工才能得到。但是資源有限，即使把地球上的紫衫全部砍光，也無法獲得足夠量的紫杉醇前體。目前經過基因工程改造的酵母菌已經能夠生產這種前體，[1] 未來這種高效抗癌藥的成本可望大幅降低，市場供應也會更加充足。
生物技術在20世紀的火箭式發展固然讓科學家和消費者們振奮。但是隨之而來的問題也是前所未有的。其中最重要的是生物技術倫理：即使有技術和工具，但我們有沒有權力去更改動植物和人類自身的基因？誰將為人工製造出來的穩定遺傳性狀負責？基因療法的底綫究竟在哪裏？這將是我們不得不解決的重大課題。
題圖是肉毒桿菌毒素（botulinum toxin，BTX）的晶體結構。它是已知毒性最强的蛋白質毒素之一，共有八種類型。其中四種對人類有毒性，但低劑量局部使用可消除皺紋，現在廣泛應用於醫療美容。（來源：wikicommons， 公有領域）
引用與注釋
[1] Distributing a metabolic pathway among a microbial consortium enhances production of natural products, Zhou, K. Nature Biotechnol. 2015 33, 377–383. DOI:10.1038/nbt.3095
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