大的丰富了分子水平的医学研究和人类对生命的认识。分子医学也深入到今天的临床诊断和治疗之中，酶分子、抗原和抗体水平的测定是衡量病人是否有疾病及疾病程度的快速、精确和重要的指标（例如心肌酶、转氨酶、肝炎抗原和抗体等），并进一步为合理使用、研究和设计新药物提供依据，疾病的分子机理和早期诊断正在发展提高。细胞的发展分化、特化组织器官的形成、记忆的机理、肿瘤和爱滋病的机理和诊疗，生命的分子基础也为探索生命本质和新的挑战性课题提供了分子平台。 　　水：水为生命分子的运动提供了介质，使生命分子能处在不断的运动和变化之中。水由一个氧和两个氢分子构成，浓度为55.5摩尔/升；水电离后生成羟基（OH-，阴）离子和氢离子（H+，阳）：H2O = H+ + OH-。基于反应的平衡，H+和OH-的浓度是相互成反比联系着的，即H+的浓度若升高，则OH-的浓度将下降；反之亦然。酸（阳）为质子供体；碱（阴）为质子受体，酸 = H+ + OH-。溶液的酸碱度（pH）是H+浓度的量度，定义为pH = log10（1/[H+]）= - log[H+]。 　　氧：生命形态从厌氧生物转变到好氧生物，是生物进化的重大一步，因为有氧代谢（阳）比无氧代谢（阴）从葡萄糖中产生出的能量提高了18倍。脊椎动物演化出两种供养机理：循环系统和载氧分子（例如血红蛋白、肌红蛋百）。血红蛋白由血红素基团和铁原子共同构成具有载氧功能的单位。血红素中的铁原子可以处在亚铁（+2键价，阴）或高铁（+3键价，阳）两种不同的氧化态，相应的血红蛋白分别称为可结合氧的亚铁非极性内核，或极性内核高铁血红蛋白。血红蛋白也能运载H+和NO，并受H+、CO2、NO和有机磷的调节，既通过蛋白变构相互作用调节其对氧的结合。变构相互作用发生在蛋白质中，它对控制和整合生物体系中的分子事件起着关健作用，具有开关作用、时差作用、反应方向的控制作用。H+、CO2、和NO，促进氧的脱去。这些调节分子结合到血红蛋白的不同部位上，不同部位之间又借助蛋白四级构象的变化进行分子内部的通讯。两条或多条肽链间的接触区域能放大或缩小以及传递构象变化于两蛋白亚基之间，因此，蛋白的功能特性使它对环境中的一些特定分子是敏感的，既在生物分子进化中，出现了一个能从环境中感受信息的生物大分子。血红蛋白是被了解得最清楚的变构蛋白质，它表现出至少三种已知的变构效应：①血红蛋白与氧结合的协作型，表现为氧结合曲线的S形；②H+和CO2，NO 能促使氧从血红蛋白上脱下来，其生理重要性在于使氧能在代谢活跃的组织中释放的更多。③血红蛋白对氧的亲和性还受2,3二磷酸甘油酸（DPG）调节。血红蛋白的变构性质来自它的和亚基之间相互作用。T（紧张）型四级结构对氧的亲和性低（阴），R（舒张）型对氧的亲和力高（阳）。DPG，H+和CO2，NO均是通过稳定T型而降低氧的亲和性的。 　　酶是生物体系中的催化剂，它们都是蛋白质。酶具有高度专一性，有极大的催化能力，它通过降低化学反应的活化能而提高反应速度至少107倍，但并不改变化学平衡。酶可以被特异性小分子或离子抑制，表现出可逆性（竞争性）和不可逆性（非竞争性）抑制。生物体系中的可逆反应其分子间的相互作用起源于静电键、氢键和范德华引力。水作为介质对这些相互作用有显著影响。水的重要特征，在于它的极性，既是氢供体，又是氢受体的能力和水的内聚性。静电因素、几何因素（底物构象变化）、诱导适合的实验测定结果提示这两个因素使催化至少按3600倍的等级加速催化作用。而酸碱度和温度对催化反应有极明显的影响。氢键或静电的键能约为3 - 7 千卡/摩尔，范氏键能约为1千卡/摩尔，室温（22°C）分子的平均热能为0.6千卡/摩尔，显而易见温度对分子键能有很大影响。氢键的重要特性在于其具有方向性。底物与酶结合的高亲和性、专一性是由于氢键所提供的精确方向。在有立体互补作用时，范氏键的相互作用起重要作用。酶对底物的识别是酶的活性部位构象变化的动态过程。有些酶由其氨基酸序列所决定的构象自发拆叠成独特的三维构象并同时获得全部酶活性；有些酶则由酶原（阳）裂解后才能形成有活性构象的酶（阴）。控制止血机理的血凝反应就是由一连串的酶原激活步骤并伴随逐级反应放大效应。显然，必须在地点、时间、和大小程度上精确控制组织、细胞酶的活性。生物膜也是由蛋白质和脂类组成的有机集合体，膜具有高度选择性的半通透性，使细胞与其环境相对隔离，膜控制着细胞与其周围环境的信息交流，用其分子泵或受体感受外部环境的变化或刺激，膜发生化学的或电的信号进行反应。因此细胞膜在生物通讯中起着中心作用。不对称性的膜内部具有流动性。温度可通过影响膜的饱和与不饱和脂肪酸组成比例、和胆固醇含量而影响膜的流动性。膜的流动性是膜蛋白镶嵌于膜中及膜蛋白构象和功能变化的基础。 　　光、电和能量：太阳（光）是万物生长的能量源泉。细胞要生存、生长或分化就要从环境中摄取能量和合成所需要的大分子物质。生物体系中两种最重要的能量转换过程是光合作用和氧化磷酸化作用，这两种反应分别由叶绿体和线粒体膜系统执行，膜上含有高度有序排列的酶和其它蛋白。这些活动反应过程是由许多高度整合的、相互交织的、精确控制的生物化学反应所进行和完成，这些反应总称为代谢。即使象细菌这样的简单生物，至少有上千种化学反应。最重要的代谢反应过程许多已经被阐明，而其调节的机理却所知不多。生物代谢经历漫长的自然选择，反应的设计是很精确、高效的，并有许多共同之点。细胞外发酵的发现，推翻了发酵作用是绝对离不开活细胞的教条论断，它打开了现代生物化学的大门，新陈代谢可用化学进行研究。植物、真核微生物、和动物细胞中线粒体呼吸链细胞色素c的构象相似。 　　代谢中，反应过程（数目）或步骤很多，但反映的类型却很少：例如氧化（阳）或还原（阴）。自由能是用以描述代谢作用的热力学概念，它是在标准状态（恒温恒压）下一个体系有用功能力的度量。体系是在一定范围内的物质（阴），宇宙的其余部分的物质则称为环境（阳）。热力学第一定律定义为：能量守恒，即体系及周围环境的总能量是一常数。其重要特征是体系的能量变化仅决定于初始的和最终的状态，而与转变的途径无关。它不能预测反应能否自发进行。而热力学函数熵（s）是体系随机性或无序性程度的度量。热力学第二定律说明的是只有当体系及环境的熵之和增加时，过程才能自发地进行。反应的标准自由能变化（G）取决于反应物的性质和它们的浓度。而千卡为能量单位（一卡等于使1克水的温度从14.5°C升到15.5°C所需的热量）。 ①只有当G为负时，反应才能自发进行；②若G为零，则体系处于平衡，不能发生净变化；③若G为正，则反应不能自发进行，需要输入自由能以推动反应。一系列反应的总的自由能变化等于各个步骤自由能变化的总和。热力学上一个不利的反应，可以被热力学上一个有利的反应〈例如由共同的中间产物偶联起来〉所推动。活性的生物（阴）需要继续不断地从外界（阳）输入自由能，其载体是ATP，其作用有三：细胞分子运动的机械功，分子和离子的主动转运，合成其它生物分子。这些自由能来源于环境，而这些运动及合成过程，使得生物体系保持在远离平衡的状态。在典型的细胞环境下，ATP完全水解可释放出的自由能约为12千卡/摩尔. ATP是自由能的主要的直接供体，具有高转换率，而非其储藏形式。分子运动、主动转运、信号放大和生物合成及分解等只有当ATP不断地由ADP再生时才能发生。ATP-ADP循环是生物体系中能量变换的基本方式，正常细胞的ATP/ADP比值维持在高水平上～500。而一个ATP的水解就能使偶联反应的平衡偏移108倍，或n个ATP分子的水解会使一偶联反应（或反应序列）的平衡偏移增加108n倍。因此，只要使一个热力学上不利的反应序列与足够数目的ATP分子的水解相偶联，就可使之变为热力学上有利的反应。在需氧生物中，燃料（营养物）氧化而合成ATP，在线粒体内膜上NADH电子载体传递链反应的电子最终传送给氧受体，伴随这种电子流动，ADP和Pi形成ATP，这一过程称为氧化磷酸化。在还原过程中，NADPH是主要的电子供体。碳水化合物葡萄糖完全氧化可产生36个ATP，同时消耗12 个氧原子，P:O比值为3，其热力学效率为38%，或有62%的热力学被合成过程所耗用。氧化磷酸化的速率取决于对A