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作为构建生命的生物大分子，其最根本的特点就是高度有序。这种有序性首先体现在手性有机小分子的偏好性选择之上，然后体现在这些有机小分子作为结构单元在合成生物大分子时特定的组成和排序上。这两种有序性导致了这样一个结果：让各种生物大分子形成相应的空间结构。这些具有特定空间结构的生物大分子被用来执行各种生物学功能，如DNA双螺旋用来承载和传递遗传信息，而血红蛋白则用来运送机体需要的氧气。可以这样说，每一个生物大分子都具有其独特的空间结构，而每一个生物学功能的实现则依赖于特定的生物大分子的空间结构。因此，生物学的一个主要任务就是：揭示生物大分子的空间结构及其与功能的关系。
生物大分子在成形之初不过是一条形状单调的“多聚链”，由众多有机小分子单体通过共价键“串”在一起。这种生物大分子的多聚链，通常还需要在氢键等各种次级键的帮助下进一步形成更为复杂的三维结构，然后才能在生命活动中发挥作用。研究者把生物大分子最初的这种线状结构称为一级结构，而把在此基础上形成的复杂空间结构称为高级结构；高级结构通常是指二级结构和三级结构，某些蛋白质如血红蛋白甚至还有四级结构。
对于蛋白质和核酸而言，这些线状多聚链上不同的氨基酸或核苷酸的组成和排列顺序影响其空间构象，即一级结构决定高级结构。蛋白质二级结构的主要类型有α螺旋和β折叠片层。这些类型的形成取决于多肽链上的氨基酸残基侧链基团的形状和大小，以及有无电荷。如α螺旋的稳定主要依靠相邻螺旋之间形成的链内氢键；如果多肽链中连续出现带有同种电荷的酸性或碱性氨基酸，它们会相互排斥而阻碍链内氢键的形成，从而不利于α螺旋的生成。此外，具有较大侧链基团的氨基酸残基如异亮氨酸或苯丙氨酸等集中的区域也不利于α螺旋的形成。
蛋白质的三级结构是指多肽链在各种二级结构的基础上再利用次级键进一步折叠形成更为复杂的空间结构，常见的外形有球状和纤维状。如果具有两条或两条以上独立三级结构的多肽链通过次级键相互结合在一起，这种空间结构就被称为蛋白质的四级结构，如运载氧的血红蛋白就是由4条多肽链组成的四聚体，这些多肽链称为蛋白质亚基。
核糖核酸（RNA）的二级结构通常是由核苷酸单链上不同碱基之间形成链内氢键来实现的，主要结构单元是茎环状和双链状，如tRNA链的二级结构是由一个双链状和三个茎环状组成的三叶草形状。核苷酸单链在其二级结构的基础上再进一步折叠就形成三级结构，如三叶草形状的tRNA链折叠就形成了一个倒L形的三级结构。
承载遗传信息的DNA分子的空间结构更为精密。首先是两条多核苷酸链按照反向平行结合的方式相互缠绕而成双螺旋形状，并采用“碱基堆积力”的疏水作用维持双螺旋的稳定；然后在两条多核苷酸链内侧的4个碱基则按照碱基配对原则形成链间氢键。由于动植物细胞的线状DNA分子很长，而细胞核的空间很小，如人体细胞的DNA链展开后长达两米，而细胞核则只有1微米。为此，DNA链又被反复扭曲盘绕在一个个由H2A、H2B、H3和H44种组蛋白构成的复合体上，形成一长串念珠样的“核小体”（Nucleosome），并进一步被以越来越小的比例反复折叠，最终形成高度压缩的“染色体”（Chromosome）。
有些蛋白质如胰岛素的形成过程远比把一条多肽链折叠复杂。胰岛素是调控机体代谢最重要的激素之一，由动物的胰岛β细胞合成。最初合成的是一条由105个氨基酸残基构成的前胰岛素原，然后经过蛋白水解酶的作用除去信号肽，变成一条由86个氨基酸残基组成的胰岛素原；胰岛素原开始进行折叠，由特定位置的6个半胱氨酸残基相互配对形成3对二硫键；具有正确二硫键的胰岛素原再经过蛋白水解酶的作用，剪切成A、B、C三段肽，其中含有21个氨基酸残基的A链和30个氨基酸残基的B链连接形成胰岛素；而原来胰岛素原的两个链内二硫键则转变为连接A链和B链的链间二硫键。
生命是一个动态过程，有生就有死；生物大分子也不例外，有合成就有降解。在20世纪80年代，研究者发现，蛋白质从合成到降解的稳定性受到其N端氨基酸序列的控制，称为“N端规则”（N-end rule），即蛋白质N端的氨基酸残基种类决定其在细胞内的降解速率，如富含甘氨酸残基的N端促进蛋白质的降解；具有这类性质的N端氨基酸残基被称为“N端降解子”（N-terminal degron）
。研究者还进一步发现，在蛋白质的C端也存在调控蛋白质稳定性的“C降解子”（C-degron），尤其是在2018年发现了多个调控人源蛋白质稳定性的“C降解子”
。
生物大分子的一级序列不仅决定了高级结构，而且常常还可以决定有机体健康与否。镰刀状细胞贫血症就是这样一个典型案例。该病是一种危害人类健康的血液病，目前全球有400多万人患有这种疾病。这种疾病于1910年在医学文献中首次报道；后来的分子生物学研究揭示，这种疾病的病因源于指导血红蛋白的氨基酸序列排布的多核苷酸链上一个碱基发生了突变，使得合成出来的血红蛋白的链第6位上带负电荷的谷氨酸由于该碱基突变而换成了中性的缬氨酸；在低氧浓度下，这种异常血红蛋白的空间结构发生改变而形成纤维状聚合物，进而导致携带这种异常血红蛋白的红细胞的形状从“甜甜圈”变成了镰刀状；镰刀状红细胞比正常形状的红细胞脆弱并容易破碎。由此可见，研究者把宏观的临床症状还原到了微观的生物大分子的异常。正是从研究镰刀状细胞贫血症的分子病因开始，人们对疾病的认识进入到分子层面——人类的大多数疾病都可以视为是生物大分子异常导致的“分子病”。
生物大分子的初级结构是靠共价键形成的，如多核苷酸链是由磷酸二酯键把核苷酸单体连接而成，多肽链是靠肽键把氨基酸单体连接而成。而生物大分子的高级结构则主要靠氢键或疏水键等次级键来形成，如蛋白质的α螺旋依靠氨基酸残基之间的氢键，而DNA双螺旋则依靠碱基之间的疏水作用。由于共价键和次级键的键能强度不一样，共价键断裂所需能量较多，而次级键断裂则比较容易；因此，在生物大分子的结构变化方面有两个重要的特征：一方面初级结构比高级结构稳定；另一方面高级结构容易受外部环境的影响而发生改变。
显然，如果通过水解的方法把蛋白质的肽键断裂，破坏其一级结构，蛋白质的功能就会丧失。那么，如果用加热或加盐等温和的条件处理蛋白质，只是把维持高级结构的次级键破坏，保留其初级结构，蛋白质的功能是否也会丧失？针对这个问题，我国著名生物学家吴宪于1929年在第13届国际生理学大会上首次提出了蛋白质变性的观点，并于1931年在《中国生理学杂志》上正式发表了蛋白质变性理论，认为天然蛋白质是多肽链通过有规律的折叠形成的一种具有生物活性的紧密构型，维持这种紧密构型的次级键一旦被物理或化学的力破坏，有规律的折叠就变为不规则的、松散的肽链形式，称为蛋白质的变性。蛋白质变性理论的关键点在于：在蛋白质一级结构不变的情况下，只要高级结构改变就能导致功能的丧失。
如果进一步追问，蛋白质一级结构改变导致的功能丧失与高级结构改变导致的功能丧失是一样的吗？人们起初认为是一样的。但是，在20世纪60年代初，美国科学家安芬森（AnfinsenC）做了一个经典的蛋白质折叠实验，得出了一个截然不同的答案。在这个实验中，安芬森博士首先利用高浓度的尿素和还原剂将一种称为核糖核酸酶的蛋白质进行变性处理；随后再去除尿素和还原剂，发现已经变性的核糖核酸酶可以自发地重新折叠回原来的空间构型，并恢复其原有的生物学功能。基于这个蛋白质复性实验，安芬森博士获得了1972年诺贝尔化学奖。这个实验表明， 不同于一级结构的 不可逆改变，蛋白质高级结构的改变是可逆的，只要其一级结构不变，在一定条件下就可以恢复已经变性的高级结构。
蛋白质的变性与复性实验揭示了蛋白质在高级结构形成过程中存在着复杂的、可逆的折叠机制。现在的研究结果表明，在细胞内合成的新生肽链需要经过多步的折叠过程才能形成具有恰当空间构象的蛋白质。重要的是，尽管蛋白质的一级结构决定高级结构，但是在从一级结构到高级结构的折叠过程中，通常需要有一类称为“分子伴侣”（Molecular Chaperone）的蛋白质来帮助其折叠；最常见的分子伴侣有热休克蛋白Hsp70和Hsp90两个家族。分子伴侣能够识别并稳定新生肽链折叠过程的各种中间构象，进而介导肽链的折叠；一旦新生肽链折叠过程结束后，分子伴侣就离开这些具有特定空间构象的蛋白质。
近年来的研究发现，分子伴侣不仅帮助多肽链折叠形成恰当的蛋白质空间构象，而且也用来帮助多核苷酸链折叠出特定的构象。例如在酵母细胞中有一个称为Mss116的蛋白酶，参与到与RNA代谢有关的各种活动中。不久前的一项研究发现，这个蛋白酶在某些RNA折叠成合适的构象时发挥了重要的作用；这种蛋白分子伴侣在RNA折叠过程中的作用很复杂，涉及依赖ATP提供能量和不需要能量等多个步骤
。
分子伴侣的研究表明，蛋白质高级结构在机体内的形成并不是一个自发的过程，因为折叠过程涉及一系列动力学反应，受到温度等各种环境条件的影响。可以这样认为 ，蛋白质的一级结构通常情况下只是决定自身高级结构的“必要条件”，而分子伴侣等外部因素的作用则是决定高级结构形成的“充分条件”。只有满足了这两个条件，蛋白质才能形成恰当的空间构象。
由此引出了一个新的问题：蛋白质一级结构决定的高级结构是唯一的吗？换句话说，一段具有特定氨基酸组成和排列的多肽链是否只能有一种确定的高级结构？现在的研究结果给出的答案是“不一定”，即同样的一级结构在一定条件下可能形成不同的高级结构。
“朊病毒”（Prion）就是一个从一级结构产生不同构象的典型。美国生物学家普鲁辛纳（Prusiner S）在1982年发现，导致“羊瘙痒症”或“疯牛病”等中枢神经系统传染病的致病因子是一种不含有核酸的蛋白颗粒，它如同病毒一样能在个体间传播并引发疾病，故称为朊病毒。普鲁辛纳博士因发现了朊病毒并提出了相应的“蛋白质构象致病假说”获得了1997年的诺贝尔医学或生理学奖。进一步的研究揭示，朊病毒蛋白有两种构象：正常型（PrPc）和致病型（PrPsc）；前者的二级结构是α螺旋，而后者则有多个β折叠片层。让人吃惊的是，这种致病的PrPsc一旦进入正常的细胞，它还能够作用于具有正常构象的PrPc，使其构象改变而成为PrPsc，进而导致疾病的发生。这种氨基酸序列没有改变而仅仅构象改变就导致的疾病因此被称为“构象病”或“折叠病”。
在核酸研究结构领域也有同样的现象，即DNA或RNA的核酸序列在大多数生理条件下形成的二级结构都是右手螺旋，但是在特定的条件下也能够形成左手螺旋。左手螺旋DNA（Z-DNA）1979年被首次发现，特点是其核糖-磷酸骨架排列呈Z型。由于Z-DNA构象是一种高能状态，在细胞内通常需要特定的蛋白质与之结合才能稳定其构象，如典型的Z-DNA结合蛋白ZBP1；当能量释放之后，Z-DNA的构象将转变为稳定的右手螺旋。Z-DNA在细胞中参与了多种生理活动，如基因转录和染色体重组；而且在肿瘤和神经退行性疾病等病理过程中也扮演了重要的角色。最近的一项研究发现，以RNA作为遗传信息载体的流感病毒在入侵宿主细胞以后，利用后者的复制机器产生左手螺旋RNA（Z-RNA），这些Z-RNA可以特定地与宿主细胞内的左手螺旋结合蛋白ZBP1相互作用，进而触发由ZBP1控制的细胞程序性坏死信号通路，导致宿主细胞的坏死
。
结构决定功能是生物学的一个最基本原则。从以上的介绍中可以看到，血红蛋白的一条多肽链上一个氨基酸残基的改变就能够导致其高级构象的改变，进而可以引起镰刀状细胞贫血症；而朊病毒则能够让正常的蛋白在一级结构不变的情况下，仅仅改变其空间结构就成了致病因子。当然，在正常生理条件下，生物大分子的结构更是生命功能活动的基础。生物体拥有一类称为“酶”（Enzyme）的蛋白质，作为催化剂调控着机体内的各种化学反应。酶的催化作用主要依靠其特有的“活性中心”，这是若干个氨基酸残基或是这些残基上的某些基团通过折叠形成特定的空间构象，通常拥有两个功能部位，一个是结合部位，用来结合酶的反应底物；另一个是催化部位，负责底物的化学键的断裂或形成。如果活性中心的一个氨基酸残基发生改变，酶的催化功能就将丧失；但是，如果只是将活性中心以外的氨基酸残基进行改变，则对酶的活性影响不大，甚至没有影响。
由此人们得出了这样一个结论，在蛋白质一级结构中，不同位置上的氨基酸残基对其功能的影响不一样。也就是说，一个蛋白质的氨基酸序列中有一些是实现其功能的关键氨基酸残基。不久前，中国科学家开发了一种“蛋白质关键残基嫁接”的算法，并在此基础上做了首次蛋白质“嫁接”实验，即把一个称为“促红细胞生成素”（EPO）的氨基酸序列上用来结合其受体蛋白EPOR的关键残基找出来，以此作为依据对一个称为ERPH1的蛋白上的氨基酸残基进行相应的改造，使得这个原本不结合EPOR的氨基酸残基也能够与之结合
。由这个实验可以得出一个重要的推论：不同空间构象的蛋白质也可以具备同样的功能。这一推论在大量的生物学研究中得到了证实。
从另外一个角度来说，一个蛋白质往往能够与不同的配体、反应底物或者生物大分子结合。例如，生物体的耐药性常常是靠细胞膜上一类称为“多药转运体”（Multidrug Transporters）的蛋白质来实现；这种蛋白可以识别不同化学结构的药物分子并将它们转运出细胞。也就是说，虽然一个蛋白质通常只具有一种确定的空间构象，但是有时却可以与不同的分子发生相互作用，从而发挥不同的功能。生物学家把这种蛋白质非专一性特征称为“混淆性”（Promiscuous）。因此 ，人们需要避免线性的思维方式，当说到生物大分子的结构决定其功能时，并不意味着仅仅是一种“一对一”的简单关系。
别构效应（Allosteric Effect）是蛋白质结构与功能关系研究中的另外一个重要发现。别构效应通常是指：当某种物质结合于一个蛋白质的活性部位以外的其他部位时，能够引起该蛋白质的空间构象发生变化，进而导致其生理活性发生改变；这个远离活性中心的结合位点就称为别构中心，而影响蛋白质活性的物质称为别构配体或别构效应物。别构效应物不同于分子伴侣，前者主要通过对蛋白质已折叠完成的空间构象进行新的改变而影响其功能，后者主要是用来帮助蛋白质折叠成恰当的空间构象。别构效应物可以是抑制蛋白质活力的负效应物，如某些酶催化反应的最终产物可与酶结合，引起负向别构效应，使酶的活力降低；也可以是增加蛋白质活力的正效应物，如血红蛋白四个亚基在结合氧气的过程中，氧与第一个亚基结合而产生正向别构效应，使其他3个亚基更容易与氧结合。
不久前，中美科学家的一项合作研究发现，DNA中也存在别构效应。在DNA双螺旋链上有很多特异的蛋白质结合位点，能够结合转录因子等不同种类的蛋白质。当一个蛋白分子结合到DNA特定位点上时，会引起DNA双螺旋的构象变化，进而影响另外一个DNA结合蛋白对DNA的结合能力。研究者进一步证明，DNA的别构效应呈现出一种大约10个碱基对的周期性变化，正好是DNA双螺旋的一个周期，而且这种效应的大小会随着两个DNA结合蛋白之间的距离增加而衰减。此外，该项研究工作还证明了，DNA别构效应可以在活细胞内影响基因调控，表现出重要的生理意义。重要的是，研究者指出，DNA别构效应是DNA的一个基本性质，不依赖于蛋白质的性质及种类
。
别构效应表明， 生物大分子的结构与功能的关系并不是静态的，而是呈现出各种动态的变化 。首先，生物大分子维持其空间结构的次级键不像共价键那样牢固，导致其空间构象在外部因素的作用下可以发生改变，从而影响其功能。其次，一个生物大分子上不同部位之间的结构变化可以相互影响，产生协同作用；如酶的活性中心和别构中心之间的协同作用；此外，具有别构效应的蛋白质通常是含有若干个亚基的寡聚体或多聚体，一个亚基的构象变化可以影响其他亚基的构象，如血红蛋白四个亚基在结合氧时出现的协同作用。
蛋白质结构与功能的关系可以追溯到100多年前提出的“锁钥”模型，即蛋白酶的高度底物专一性源自其特定的构象与底物之间的紧密契合，就好比一把钥匙开一把锁。自此，蛋白质特定的结构决定特定的功能就成了生物学的基本规律。然而，从20世纪90年代开始，研究者发现生物体内有许多无序蛋白质，它们在天然状态下整条肽链或者肽链的一部分并不具有严格的三维结构
。这类无序蛋白质在生物体内广泛存在。一个分析无序蛋白质的预测算法表明，在古细菌、细菌和真核生物这三大类生物的蛋白质组中，长度大于30个氨基酸的无序区域的比例分别为2.0%、4.2%、33.0%。关键是这些无序蛋白质在生物体的生理和病理的活动中同样发挥着重要作用。显然，人们需要把“结构决定功能”的规律进行“外延”：蛋白质天然的无序状态也是一种“结构”。