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生物化学是一门古老又年轻的科学，1903年，Neuberg首先提出了“生物化学”并建立一门独立学科。到20世纪50年代，生物化学经历了叙述生物化学阶段、动态生物化学阶段和机能生物化学阶段。至机能生物化学阶段，分子生物学开始崛起并迅速发展成为一门独立学科，故又称分子生物学阶段。分子生物学的诞生和发展大致分为三个阶段。
19世纪后期到20世纪50年代初是分子生物学诞生前的酝酿阶段，这一阶段在认识生命本质方面有两个重大突破。
1．确定了蛋白质是生命的物质基础 1897年，Büchner兄弟发现酵母无细胞提取液能使蔗糖发酵生成乙醇，提出酶是生物催化剂。1926年，Sumner提取并结晶了尿素酶，提出酶的化学本质是蛋白质。到20世纪40年代，Northrop等科学家陆续提取并结晶了胰蛋白酶、胃蛋白酶等，证明酶的化学本质是蛋白质。1945年，F·Sanger建立了用于分析肽链N-端氨基酸残基的二硝基氟苯法。1950年，Sanger完成了胰岛素的序列分析。同年，Pauling和Corey提出了α角蛋白构象的α-螺旋模型。1959年，Perutz和Kendrew阐明了血红蛋白的四级结构。
2．确定了DNA是生命的物质基础 1869年，Miescher最早分离到核素。1944年，Avery 等通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是细菌的遗传物质。1952年，Hershey和Chase通过大肠杆菌T2噬菌体感染实验进一步证明DNA是病毒的遗传物质。1953年，Chargaff提出了关于DNA组成的Chargaff规则，为研究DNA结构奠定了基础。
1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型，是生物化学发展进入分子生物学时期的重要标志。
1．中心法则的建立 中心法则的建立推动了分子生物学的发展，在提出DNA双螺旋结构模型的同时，Watson和Crick提出了DNA复制的可能机制。1955年，Kornberg发现了大肠杆菌的DNA聚合酶。1956年，Crick提出了中心法则。1958年，Meselson和Stahl用同位素标记技术和密度梯度离心技术证明DNA是半保留复制的。1968年，Okazaki提出DNA是不连续复制的。1971～1976年，Wang先后发现了大肠杆菌Ⅰ型DNA拓扑异构酶和Ⅱ型DNA拓扑异构酶。这些都丰富了对DNA复制机制的认识。
1958年，Weiss和Hurwitz等发现了RNA聚合酶。1961年，Jacob和Brenner等提出并提取到mRNA。同年，Hall和Spiegelman通过RNA和DNA杂交分析证明了mRNA与DNA序列的互补性，阐明了RNA合成的机制。
20世纪50年代，Zamecnik等证明蛋白质生物合成机器是核糖体。1957年，Hoagland、Stephenson和Zamecnik等分离出tRNA。1966年，Holley、Khorana和Nirenberg破译了遗传密码，从而阐明了蛋白质合成的机制。
1970年，Baltimore和Temin分别发现了逆转录酶，进一步补充和完善了中心法则。
2．对蛋白质结构与功能的进一步认识 1956～1958年，Anfinsen和White根据对酶蛋白变性和复性的实验研究提出了蛋白质空间结构是由一级结构即氨基酸序列决定的。1956年，Ingram证明镰刀状红细胞贫血的发病机制。1965年，中国科学家合成胰岛素，并于1973年完成对其空间结构的分析。
20世纪70年代，重组DNA技术成为新的里程碑，标志着分子生物学深入发展阶段的开始。
1．重组DNA技术的建立 生物化学与分子生物学理论与技术的发展，使重组DNA分子技术的建立成为必然。1968年，Meselson和Yuan在大肠杆菌中发现了限制性内切酶。1972年，Berg等将大肠杆菌、噬菌体、病毒的DNA进行重组，成功构建了重组DNA分子。1977年，Boyer等在大肠杆菌中表达了生长抑素。1978年，在大肠杆菌中成功表达重组人胰岛素。1982年，Palmiter等用大鼠生长激素基因转化小鼠受精卵得到超级小鼠。1996年以来，已经规模种植转基因玉米和转基因大豆，我国科学家成功培育出抗棉铃虫的转基因棉花和抗除草剂的转基因水稻。
2．基因组研究的开展 为了揭示生物的遗传信息及其功能必须分析生物基因组全序列结构。1977年，Sanger分析了ΦX174噬菌体的基因组序列。2003年，20世纪“三大计划”之一的人类基因组计划基本完成测序工作。目前基因组研究已经进入后基因组时代。
3．基因表达调控机制的揭示 在20世纪60年代之前，人们主要研究原核基因表达调控的基本规律。1977年，人们从猿猴空泡病毒40（SV40）和腺病毒基因编码序列不连续性开始认识并深入研究真核生物基因组结构和基因表达调控机制。目前，人们已经深刻意识到真核表达调控的根本是核酸与蛋白质的相互识别与相互作用关系。
4．信号转导机制研究的深入 1957年，Sutherland发现了cAMP，于1965年提出第二信使学说。1977年，Gilman等发现了G蛋白，开始研究G蛋白介导的信号转导通路。癌基因和抑癌基因的发现、酪氨酸激酶的发现及对其结构和功能的研究、各种受体蛋白基因的克隆及对受体蛋白结构和功能的揭示都推动了信号转导机制的研究。