在孟德爾遺傳理論問世以后，科學(xué)家們進(jìn)一步提出了新的研究問題：為什么生物的一些特征能夠遺傳？生命的本質(zhì)是什么？這些問題推動了生物學(xué)向比細(xì)胞還要小的更深的層次發(fā)展。
從上個世紀(jì)末到本世紀(jì)初，科學(xué)家們已經(jīng)知道細(xì)胞主要由蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子組成。蛋白質(zhì)、核酸這些生物大分子的聚集物，組成了細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。在幾種生物大分子中，最先引起高度重視的是蛋白質(zhì)。19世紀(jì)德國化學(xué)家李比希就認(rèn)識到，對生命來說，蛋白質(zhì)比碳水化合物和脂肪要重要得多。恩格斯就曾指出過，生命是蛋白體的存在方式。恩格斯所說的蛋白體就是指類似蛋白質(zhì)的生命物質(zhì)。沒有蛋白質(zhì)，就沒有生命。在當(dāng)時，科學(xué)家對蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、功能等方面的研究，是十分有限的。
蛋白質(zhì)這個名稱來源于人們最常見的一種現(xiàn)象，就是生物中有一種物質(zhì)象雞蛋清一樣，加熱以后會凝固，化學(xué)家稱這類物質(zhì)是蛋白質(zhì)。上世紀(jì)末，生物化學(xué)家們已經(jīng)認(rèn)識到，蛋白質(zhì)的基本成分是氨基酸。各種各樣的氨基酸按一定順序連成一串。成串的氨基酸像鎖鏈一樣按一定規(guī)則折疊、盤曲、再折疊、再盤曲形成不同形狀。隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們可以分離不同的蛋白質(zhì)，甚至人工合成一些具有活性的蛋白質(zhì)。
蛋白質(zhì)和一般有機(jī)物相比較，有兩個最突出的特點(diǎn)，一是成分復(fù)雜，二是品種極多。組成復(fù)雜蛋白質(zhì)的氨基酸大約有20種。大量的不同種的氨基酸按照不同的排列組合，就可以得到不同品種和不同性能的蛋白質(zhì)，種類之多難以想象。例如，血清蛋白只由500多個氨基酸組成，它可能的結(jié)構(gòu)就是1后面有600個0,更不用說含有幾萬個氨基酸的復(fù)雜蛋白質(zhì)了。
從1945年起，英國生的化學(xué)家弗雷德里克·桑格(1918—)開始研究肽鏈上氨基酸的排列順序，然后進(jìn)一步研究一種簡單的蛋白質(zhì)分子——牛胰島素的結(jié)構(gòu)。牛胰島素只有51個氨基酸。1955年，桑格宣布確定了牛胰島素的結(jié)構(gòu)，從而為胰島素的實(shí)驗(yàn)室合成奠定了基礎(chǔ)，并促進(jìn)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究?？梢赃@樣說，有辦法弄清蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，就有希望合成蛋白質(zhì)。
1958年，我國科技工作者在前人對胰島素結(jié)構(gòu)和肽鏈合成方法研究的基礎(chǔ)上，開始研究合成胰島素。他們分三步進(jìn)行，第一步是先把天然胰島素的兩個肽鏈拆開，然后再重新合成有活性的胰島素，以前還沒有人做到這一點(diǎn)；第二步用一條人工合成的肽鏈來代替一條天然肽鏈，合成半人工胰島素；第三步用兩條人工合成肽鏈合成人工胰島素。1965年，我國科技工作者在世界上首次合成了結(jié)晶牛胰島素，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)用電子計(jì)算機(jī)來分析和計(jì)算簡單蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，并且?guī)椭铣傻鞍踪|(zhì)。復(fù)雜的蛋白質(zhì)有幾萬個氨基酸，從目前的情況來看，要弄清楚結(jié)構(gòu)把它們合成，絕不是一件容易的事情。蛋白質(zhì)的世界好象浩瀚的海洋，人們現(xiàn)在還只是在海邊撿到幾個美麗的小貝殼罷了。
作為生物體的基本成分，蛋白質(zhì)要參加生命現(xiàn)象中的許多化學(xué)反應(yīng)，但是，這種化學(xué)反應(yīng)要依賴于特殊的催化劑——酶。
最先發(fā)現(xiàn)的酶是動物體中的胃蛋白酶。這種酶是由胃分泌出來的，它對吃進(jìn)來的食物進(jìn)行催化反應(yīng)，把食物中蛋白質(zhì)的大分子變成能被生物體吸收的小分子物質(zhì)。胃蛋白酶可以人工提取。生物化學(xué)家的研究表明，到目前為止所發(fā)現(xiàn)的酶都是蛋白質(zhì)。據(jù)估計(jì)，細(xì)胞中含有酶多達(dá)幾千種。
1869年，瑞士生物化學(xué)家米歇爾(1844—1895)發(fā)現(xiàn)，用胃蛋白酶分解細(xì)胞蛋白時，細(xì)胞核縮小了一點(diǎn)，可是仍舊保持完整，這種酶不能分解細(xì)胞核。經(jīng)過化學(xué)分析，米歇爾發(fā)現(xiàn)細(xì)胞核不是由蛋白質(zhì)組成，而是由一種含磷的物質(zhì)組成，后來發(fā)現(xiàn)這是一種強(qiáng)酸，所以稱做核酸。在地球上，一切生命的奧秘全在核酸。沒有核酸就沒有生命體。
核酸非常細(xì)小，即使在電子顯微鏡下也難以看清。核酸是一種復(fù)雜的含磷化合物，是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，能控制細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成。
1911年，俄國出生的美國生物化學(xué)家萊文(1860—1940)發(fā)現(xiàn)有兩種不同的核酸；核糖核酸(RNA)及脫氧核糖核酸(DNA)。核糖核酸是因?yàn)橐环N核酸中含有和普通糖成分不同的核糖而得名。脫氧核糖核酸是因?yàn)榱硪环N核酸中的核糖中一個氧原子而得名。后來又知道，這兩種核酸中除了核糖不同外，還有其他區(qū)別。
俗話說，“種瓜得瓜，種豆得豆”,其中的奧秘也在核酸。生命的基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)，而核酸就是復(fù)制蛋白質(zhì)的精靈。什么樣的核酸復(fù)制出什么樣的蛋白質(zhì)。那么，蛋白質(zhì)是怎樣制造出來的呢？原來，在生物世界里，脫氧核糖核酸是各物種遺傳密碼的攜帶者，它像傳送帶運(yùn)送物品那樣，把自己的特殊信息傳給核糖核酸，核糖核酸根據(jù)信息又把各種氨基酸送到適當(dāng)?shù)摹拔恢谩鄙?，排列成鏈，然后再脫離核酸表面，就產(chǎn)生構(gòu)成某物種基體的蛋白質(zhì)，空出的核酸表面又為“裝配”新的蛋白質(zhì)作好準(zhǔn)備。這樣反反復(fù)復(fù)，一模一樣的蛋白質(zhì)被不斷地“裝配”起來。上一代物種的性狀特征，就這樣世世代代地傳遞下去。
1934年，萊文發(fā)現(xiàn)核酸由4種核苷酸組成。核苷酸由一個核糖(或一個脫氧核糖)、一個磷酸和一個有機(jī)堿基分子組成。組成DNA的4種核苷酸的堿基是：胸腺嘧啶，簡稱T;胞嘧啶，簡稱C;腺嘌呤，簡稱A;鳥嘌呤，簡稱G。在RNA中，是尿嘧啶取代了胸腺嘧啶，尿嘧啶簡稱U。萊文雖然發(fā)現(xiàn)了核酸的化學(xué)組成，但是沒有確定4種核苷酸按什么樣的結(jié)構(gòu)形成核酸分子。
英國物理學(xué)家阿斯特伯里(1898—1961)首先企圖用x射線衍射法來制定DNA結(jié)構(gòu)。1940年，他拍攝了一些DNA的x射線衍射照片，這些照片雖然質(zhì)量不高，但是仍舊能夠證實(shí)他關(guān)于DNA是由一疊扁平核苷酸構(gòu)成的推斷。
50年代初，有一些科學(xué)家繼承了阿斯特伯里開創(chuàng)的工作。
由美國生物學(xué)家J·沃森(1928—)和F·克里克(1916—)合作，發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。沃森在芝加哥大學(xué)動物系畢業(yè)以后，從事x射線對噬菌體影響的研究。他年輕有為，被派到英國劍橋大學(xué)卡文迪實(shí)驗(yàn)室深造?？死锟耸莿虼髮W(xué)“結(jié)構(gòu)派”成員，他在研究x射線衍射照片方面有很高水平。沃森和克里克都讀過薛定諤的《生命是什么》這本書，因此在研究DNA結(jié)構(gòu)的過程中，曾經(jīng)設(shè)想過幾種可能的模型，但是缺少好照片做實(shí)驗(yàn)根據(jù)。
由新西蘭出生的英國生物物理學(xué)家威爾金斯(1916—)領(lǐng)導(dǎo)的小組制成了高度定向的DNA纖維，拍攝的x射線衍射照片非常清晰。他所領(lǐng)導(dǎo)的科研組進(jìn)一步證實(shí)了阿斯特伯里的推斷，并且測出兩個相鄰核苷酸的間距是3.4埃。
1953年2月，沃森和克里克看到威爾金斯課題小組拍攝的x射線照片以后，立即開始進(jìn)行研究，很快從分析照片中發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)。他們的主要結(jié)構(gòu)是：DNA分子結(jié)構(gòu)是一個正常的螺旋形式。這個螺旋的直徑大約是20埃，沿著螺施長度每34埃完成一個螺旋，由于兩個核苷酸間距是3.4埃，所以每個螺旋是由10個核苷酸組成的。根據(jù)DNA分子的密度推論，這個螺旋由兩條核苷酸鏈構(gòu)成，是一個雙螺旋，并且推導(dǎo)出4種核苷酸在雙螺旋中的堿基配對的原則，就是胞嘧啶T,總是跟鳥嘌呤G配對，而胸腺嘧啶T總是跟腺嘌呤A配對。
1953年發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)被看做是分子生物學(xué)劃時代的發(fā)現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)跟胰島素等蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)不同。沃森和克里克指出，從4種核苷酸的特殊配位方式立刻可以提出關(guān)于遺傳物質(zhì)(DNA)的復(fù)制機(jī)理。通過這種復(fù)制，遺傳信息轉(zhuǎn)移到新分子中去，一代一代傳下去，可以保持物種的相對穩(wěn)定。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)不但可以說明復(fù)制機(jī)理，而且可以說明怎樣帶有大量的遺傳基因。
1956年，羅馬尼亞籍的美國生物化學(xué)家帕拉德(1912—)用電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，制造酶的地方是細(xì)胞槳里的一些細(xì)小顆粒，它們含有大量的RNA,稱做核糖體。當(dāng)信使RNA來到以后，這種糖體就成了合成蛋白質(zhì)的場所。有些學(xué)者指出，按照信使RNA指令，不同的氨基酸按照一定順序的方式排列結(jié)合形成酶的分子，酶又控制蛋白質(zhì)的形成過程。DNA好似存貯大量信息的電子計(jì)算機(jī)，它通過RNA發(fā)出指令，依靠酶的幫助，指揮氨基酸按照一定要求和一定方式進(jìn)行行動，因此體現(xiàn)出一個活的過程，有生命的過程。DNA是生命活動的中心。
由于揭開了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的秘密，在從分子生物角度解釋生命現(xiàn)象方面獲得了突破性進(jìn)展。
由于揭開了DNA之謎，人們有可能把一種生物的遺傳基因移入另一種生物中，在分子水平進(jìn)行雜交，這就是遺傳工程。
分子生物學(xué)的發(fā)展將給電子計(jì)算機(jī)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、資源利用、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)、人口控制等一系列當(dāng)代最重要的科學(xué)技術(shù)和社會問題帶來深刻的變革，將會對人類進(jìn)步和社會發(fā)展產(chǎn)生難以估量的影響。