在孟德尔遗传理论问世以后,科学家们进一步提出了新的研究问题:为什么生物的一些特征能够遗传?生命的本质是什么?这些问题推动了生物学向比细胞还要小的更深的层次发展。
        从上个世纪末到本世纪初,科学家们已经知道细胞主要由蛋白质和核酸等生物大分子组成。蛋白质、核酸这些生物大分子的聚集物,组成了细胞膜、细胞质和细胞核。在几种生物大分子中,最先引起高度重视的是蛋白质。19世纪德国化学家李比希就认识到,对生命来说,蛋白质比碳水化合物和脂肪要重要得多。恩格斯就曾指出过,生命是蛋白体的存在方式。恩格斯所说的蛋白体就是指类似蛋白质的生命物质。没有蛋白质,就没有生命。在当时,科学家对蛋白质的组成、结构、功能等方面的研究,是十分有限的。
        蛋白质这个名称来源于人们最常见的一种现象,就是生物中有一种物质象鸡蛋清一样,加热以后会凝固,化学家称这类物质是蛋白质。上世纪末,生物化学家们已经认识到,蛋白质的基本成分是氨基酸。各种各样的氨基酸按一定顺序连成一串。成串的氨基酸像锁链一样按一定规则折叠、盘曲、再折叠、再盘曲形成不同形状。随着科学的进步,人们可以分离不同的蛋白质,甚至人工合成一些具有活性的蛋白质。
        蛋白质和一般有机物相比较,有两个最突出的特点,一是成分复杂,二是品种极多。组成复杂蛋白质的氨基酸大约有20种。大量的不同种的氨基酸按照不同的排列组合,就可以得到不同品种和不同性能的蛋白质,种类之多难以想象。例如,血清蛋白只由500多个氨基酸组成,它可能的结构就是1后面有600个0,更不用说含有几万个氨基酸的复杂蛋白质了。
        从1945年起,英国生的化学家弗雷德里克·桑格(1918—)开始研究肽链上氨基酸的排列顺序,然后进一步研究一种简单的蛋白质分子——牛胰岛素的结构。牛胰岛素只有51个氨基酸。1955年,桑格宣布确定了牛胰岛素的结构,从而为胰岛素的实验室合成奠定了基础,并促进了蛋白质结构的研究。可以这样说,有办法弄清蛋白质结构,就有希望合成蛋白质。
        1958年,我国科技工作者在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上,开始研究合成胰岛素。他们分三步进行,第一步是先把天然胰岛素的两个肽链拆开,然后再重新合成有活性的胰岛素,以前还没有人做到这一点;第二步用一条人工合成的肽链来代替一条天然肽链,合成半人工胰岛素;第三步用两条人工合成肽链合成人工胰岛素。1965年,我国科技工作者在世界上首次合成了结晶牛胰岛素,现在科学家已经用电子计算机来分析和计算简单蛋白质的结构,并且帮助合成蛋白质。复杂的蛋白质有几万个氨基酸,从目前的情况来看,要弄清楚结构把它们合成,绝不是一件容易的事情。蛋白质的世界好象浩瀚的海洋,人们现在还只是在海边捡到几个美丽的小贝壳罢了。
        作为生物体的基本成分,蛋白质要参加生命现象中的许多化学反应,但是,这种化学反应要依赖于特殊的催化剂——酶。
        最先发现的酶是动物体中的胃蛋白酶。这种酶是由胃分泌出来的,它对吃进来的食物进行催化反应,把食物中蛋白质的大分子变成能被生物体吸收的小分子物质。胃蛋白酶可以人工提取。生物化学家的研究表明,到目前为止所发现的酶都是蛋白质。据估计,细胞中含有酶多达几千种。
        1869年,瑞士生物化学家米歇尔(1844—1895)发现,用胃蛋白酶分解细胞蛋白时,细胞核缩小了一点,可是仍旧保持完整,这种酶不能分解细胞核。经过化学分析,米歇尔发现细胞核不是由蛋白质组成,而是由一种含磷的物质组成,后来发现这是一种强酸,所以称做核酸。在地球上,一切生命的奥秘全在核酸。没有核酸就没有生命体。
        核酸非常细小,即使在电子显微镜下也难以看清。核酸是一种复杂的含磷化合物,是遗传的物质基础,能控制细胞的蛋白质合成。
        1911年,俄国出生的美国生物化学家莱文(1860—1940)发现有两种不同的核酸;核糖核酸(RNA)及脱氧核糖核酸(DNA)。核糖核酸是因为一种核酸中含有和普通糖成分不同的核糖而得名。脱氧核糖核酸是因为另一种核酸中的核糖中一个氧原子而得名。后来又知道,这两种核酸中除了核糖不同外,还有其他区别。
        俗话说,“种瓜得瓜,种豆得豆”,其中的奥秘也在核酸。生命的基础是蛋白质,而核酸就是复制蛋白质的精灵。什么样的核酸复制出什么样的蛋白质。那么,蛋白质是怎样制造出来的呢?原来,在生物世界里,脱氧核糖核酸是各物种遗传密码的携带者,它像传送带运送物品那样,把自己的特殊信息传给核糖核酸,核糖核酸根据信息又把各种氨基酸送到适当的“位置”上,排列成链,然后再脱离核酸表面,就产生构成某物种基体的蛋白质,空出的核酸表面又为“装配”新的蛋白质作好准备。这样反反复复,一模一样的蛋白质被不断地“装配”起来。上一代物种的性状特征,就这样世世代代地传递下去。
        1934年,莱文发现核酸由4种核苷酸组成。核苷酸由一个核糖(或一个脱氧核糖)、一个磷酸和一个有机碱基分子组成。组成DNA的4种核苷酸的碱基是:胸腺嘧啶,简称T;胞嘧啶,简称C;腺嘌呤,简称A;鸟嘌呤,简称G。在RNA中,是尿嘧啶取代了胸腺嘧啶,尿嘧啶简称U。莱文虽然发现了核酸的化学组成,但是没有确定4种核苷酸按什么样的结构形成核酸分子。
        英国物理学家阿斯特伯里(1898—1961)首先企图用x射线衍射法来制定DNA结构。1940年,他拍摄了一些DNA的x射线衍射照片,这些照片虽然质量不高,但是仍旧能够证实他关于DNA是由一叠扁平核苷酸构成的推断。
        50年代初,有一些科学家继承了阿斯特伯里开创的工作。
        由美国生物学家J·沃森(1928—)和F·克里克(1916—)合作,发现了DNA分子的双螺旋结构。沃森在芝加哥大学动物系毕业以后,从事x射线对噬菌体影响的研究。他年轻有为,被派到英国剑桥大学卡文迪实验室深造。克里克是剑桥大学“结构派”成员,他在研究x射线衍射照片方面有很高水平。沃森和克里克都读过薛定谔的《生命是什么》这本书,因此在研究DNA结构的过程中,曾经设想过几种可能的模型,但是缺少好照片做实验根据。
        由新西兰出生的英国生物物理学家威尔金斯(1916—)领导的小组制成了高度定向的DNA纤维,拍摄的x射线衍射照片非常清晰。他所领导的科研组进一步证实了阿斯特伯里的推断,并且测出两个相邻核苷酸的间距是3.4埃。
        1953年2月,沃森和克里克看到威尔金斯课题小组拍摄的x射线照片以后,立即开始进行研究,很快从分析照片中发现了DNA分子的双螺旋结构。他们的主要结构是:DNA分子结构是一个正常的螺旋形式。这个螺旋的直径大约是20埃,沿着螺施长度每34埃完成一个螺旋,由于两个核苷酸间距是3.4埃,所以每个螺旋是由10个核苷酸组成的。根据DNA分子的密度推论,这个螺旋由两条核苷酸链构成,是一个双螺旋,并且推导出4种核苷酸在双螺旋中的碱基配对的原则,就是胞嘧啶T,总是跟鸟嘌呤G配对,而胸腺嘧啶T总是跟腺嘌呤A配对。
        1953年发现DNA的双螺旋结构被看做是分子生物学划时代的发现。这一发现跟胰岛素等蛋白质结构的发现不同。沃森和克里克指出,从4种核苷酸的特殊配位方式立刻可以提出关于遗传物质(DNA)的复制机理。通过这种复制,遗传信息转移到新分子中去,一代一代传下去,可以保持物种的相对稳定。DNA双螺旋结构不但可以说明复制机理,而且可以说明怎样带有大量的遗传基因。
        1956年,罗马尼亚籍的美国生物化学家帕拉德(1912—)用电子显微镜发现,制造酶的地方是细胞桨里的一些细小颗粒,它们含有大量的RNA,称做核糖体。当信使RNA来到以后,这种糖体就成了合成蛋白质的场所。有些学者指出,按照信使RNA指令,不同的氨基酸按照一定顺序的方式排列结合形成酶的分子,酶又控制蛋白质的形成过程。DNA好似存贮大量信息的电子计算机,它通过RNA发出指令,依靠酶的帮助,指挥氨基酸按照一定要求和一定方式进行行动,因此体现出一个活的过程,有生命的过程。DNA是生命活动的中心。
        由于揭开了DNA双螺旋结构的秘密,在从分子生物角度解释生命现象方面获得了突破性进展。
        由于揭开了DNA之谜,人们有可能把一种生物的遗传基因移入另一种生物中,在分子水平进行杂交,这就是遗传工程。
        分子生物学的发展将给电子计算机、农业生产、资源利用、医药卫生、环境保护、人口控制等一系列当代最重要的科学技术和社会问题带来深刻的变革,将会对人类进步和社会发展产生难以估量的影响。