食物
或许医学科学的第一个重大进展，就是医生们认识到健康需要简单而平衡的饮食。希腊哲学家劝告饮食要适度，不仅出于哲学上的理由，而且因为凡是这样做的人都生活得更舒适，寿命也更长。这是一个良好的开端，但生物学家们终于认识到，单靠饮食适度是不够的。即使一个人生活富裕，不会挨饿，而且能够适度节制，不暴食暴饮，但如果碰巧在他的饮食中缺少某些必要的成分，他仍会不健康。对于世界上一些地区的许多人来说，正是这种情况。
人体在饮食的需要上是非常特殊的。植物只靠二氧化碳、水和某些无机离子就可以生存。有些微生物不需要任何有机食物同样也能存活，因此人们称它们为自养生物，就是说它们能够在没有其他生物的环境中生长。面包霉菌（脉孢菌）就开始有点复杂了，除了无机物质外，还必须要有糖和一种叫做生物素的维生素。而且生命形态变得越复杂，似乎越要依赖它们的饮食为建造活组织提供所必需的有机构件，原因就是它们失去了原始生物所具有的一些酶。绿色植物可以提供全套的酶，把无机原料制造成全部必需的氨基酸、蛋白质、脂肪和碳水化合物。脉孢菌拥有除制造糖和生物素所需要的几种酶以外的所有的酶。人体中缺少制造多种氨基酸、维生素和各种其他必要物质所需要的酶，因此必须从食物中摄取现成的。
这看起来似乎是一种退化——越来越依赖于环境使生物处于一种不利的地位。其实并非如此。如果环境能够提供构件的话，细胞何必还携带着制造这些构件所需要的复杂的酶机器呢？去掉这种机器，细胞就可以把它的能量和空间用于更精细和更特殊的目的。
人（或其他动物）要得到他们所需要的食物，就必须依赖摄取其他生物。食物正是由这些生物的有机成分构成的。在食者的肠内，食物里的小分子可以被直接吸收；淀粉、蛋白质等大分子通过酶的作用被分解（即被消化）成碎片（氨基酸、葡萄糖等）再被吸收。在食者的体内，这些碎片被进一步分解以产生能量，或重新合成食者而不是食物所特有的大分子。在某种意义上，动物的生命过程就是一种不停的强行掠取。
有些动物是食肉动物，它们只吃其他动物。如果所有的动物都是食肉动物，动物的生命就不会维持长久，因为食物的能量和组织成分转换给食者的效率非常低。根据实际的经验，要维持食者1公斤的体重需要消耗10公斤的食物。
有些动物是食草动物，它们吃草。植物比动物普遍得多，因此食草动物的总量远远大于食肉动物，能够很好地维持食肉动物的生存。（有些动物，如人、熊和猪等，是杂食动物，它们既吃植物也吃动物。）
把植物的能量和组织成分转换给吃植物的动物，效率也是非常低的，因此，如果植物自我更新的速度赶不上它们被食用的速度，生命很快就会荡然无存。植物是利用太阳能在光合作用过程中进行自我更新的（见第十二章 ）。通过这种途径，植物可以依靠无机物生存，而且实际上使所有的生命维持下去。在植物存在以来的整个时期，一直是这样进行的。
的确，光合作用比动物消化食物的过程效率还要低。据估计，所有到达地球的太阳能被植物截获并转换成组织的不到1/1000，但是这仍然足以使全世界每年生产1500亿～2000亿吨干的有机物。当然，只要太阳基本上维持目前的状况，这一过程在地球上就只能以目前的形式持续下去，这将是几十亿年的事情。
有机食物
如果摄取食物只是为了获得能量，我们实际上并不需要很多食物。对于我这个坐着工作的人来说，227克黄油就可以提供我一天所需要的全部能量。但是，食物不单是提供能量，而且还是修补和重建我的组织所需要的构件的一个来源。这些需要修补和重建的组织在许多不同的地方都有，单靠黄油不能提供这些方面的需要。
英国医生蒲劳脱首先提出有机食物可以分成三类，后来被命名为碳水化合物、脂肪和蛋白质。（就是这个蒲劳脱提出，所有的元素都是由氢组成的，比他的时代超前了一个世纪。）
19世纪的化学家和生物学家，尤其是德国的李比希，逐渐弄清了这些食物的营养价值。他们发现，蛋白质是最重要的，生物单靠蛋白质就能存活。人体不能用碳水化合物和脂肪制造蛋白质，因为这些物质不含氮，但是它能够利用蛋白质提供的原料制造必要的碳水化合物和脂肪。但是，如果靠全蛋白食物生活的话，就会造成浪费，因为环境中的蛋白质是比较稀少的。那样做就好像本来有劈柴可用却要用家具生火一样。
在整个历史上，甚至今天在世界的许多地区，人们很难得到足够的食物。不论是灾荒歉收，还是分配不当；也不论是体力上的还是经济上的原因，反正总是有人得不到食物或买不起食物。
有时即使看上去有足够的食物可供食用，但蛋白质的含量太低，因此虽然不是广义上的营养不足，也是营养不良。儿童特别容易患蛋白质缺乏症，因为他们需要蛋白质不仅是为了替换，而且是为了建造新的组织，为了生长。在非洲，这种蛋白质缺乏症在儿童中特别普遍，因为他们只是吃一种单调的玉米面食物。（任何单调的食物都是危险的，因为含有人们所需要的各种养分的食物是没有的。吃的食物种类要多，这样才安全。）
总是有少数人饮食不加节制，因此摄取的各种养分超过了身体的需要。人体将多余的养分变成脂肪储存起来（这是把热量储存在尽可能小的空间里的最经济的办法）。这种储存有许多用途，例如储存的热量可以帮助度过缺乏食物的期间。但是，如果没有这种缺乏食物的期间，脂肪就会保留下来，人体就会超重甚至肥胖。这种情况是有害的，它会使人感到不适，而且还经常伴随着发生机能衰退和代谢方面的疾病，如糖尿病、动脉粥样硬化等。（如果一个人的饮食不平衡，即使体重超重，也不能保证不缺乏所必需的营养。）避免肥胖的惟一合理的方法，就是减少饮食量或增加活动量（或者两者同时进行）。两者都不肯做的人只能保持超重，尝试任何其他方法都不会奏效。
蛋白质
总的来说，高蛋白食物通常比低蛋白食物价格高，而且供应短缺（这两个特点一般同时存在），并且，动物食物通常比植物食物蛋白质含量高。
这就给食素主义者提出一个问题。尽管食素主义者有自己的观点，但实行食素主义的人要确保他们保持适当的蛋白质摄取量就必须多费点事。这是可以办到的，因为一般成人每天只要摄取57克蛋白质就够了，儿童、孕妇及喂奶的母亲需要的多一些。
当然，这在很大程度上要看你选取的是什么样的蛋白质。19世纪的实验者企图发现，在饥荒时人们是否可以靠白明胶生活。白明胶是通过加热骨头、腱和用别的方法无法食用的动物的其他部分而得到的一种蛋白质。但是法国生理学家马让迪证明，当白明胶是狗的蛋白质的惟一来源时，狗就会减少体重而死亡。这并不是说用白明胶作食物有什么不好，而只是说当白明胶是食物中的惟一蛋白质时，它不能提供所有必需的构件。这再一次说明，食用多种食物才安全。
蛋白质的效用取决于身体对蛋白质所提供的氮的利用效率。1854年，英国农学家J.B.劳斯和吉尔伯特用小扁豆粗粉和大麦粗粉两种形式的蛋白质喂猪。他们发现，猪体内保留大麦中的氮比小扁豆中的氮多得多。这些是最早的氮平衡实验。
生长中的动物从它摄取的食物中逐渐积累氮（正氮平衡）。如果它在挨饿，或患了消耗性疾病，而白明胶又是惟一的蛋白质来源，那么，从氮平衡的观点来看，身体就会继续饥饿或消耗下去（这种情形叫做负氮平衡）。不管喂它多少白明胶，它也总是保持失去的氮多于摄入的氮。
为什么会这样呢？19世纪的化学家们终于发现，白明胶是一种非常简单的蛋白质。它缺少大部分蛋白质中所含有的色氨酸和其他一些氨基酸。没有这些构件，身体就不能为其自身组织建造所需要的蛋白质。因此，除非身体还能从食物中得到其他蛋白质，否则白明胶里产生的氨基酸就毫无用处，因而不得不被排泄掉。这就好像盖房子的人发现他们有很多木材却没有钉子一样。他们不仅盖不成房子，而且这些木材也只好堆在一旁而最终被处理掉。19世纪90年代，人们试图往白明胶里加入它所缺少的一些氨基酸，使它成为一种比较有效的食物，但这些尝试都没有成功。使用不像白明胶那样简单的蛋白质则取得比较好的结果。
1906年，英国生物化学家霍普金斯和威尔科克用在玉米中发现的玉米醇溶蛋白作为小白鼠食物中的惟一蛋白质。他们知道这种蛋白质含色氨酸极少。大约过了14天，小白鼠就死了。（缺少色氨酸是蛋白质缺乏症夸希奥科病的主要原因，这种病在非洲儿童中非常普遍。）然后，他们在玉米醇溶蛋白中加上色氨酸，再来喂小白鼠，这一次小白鼠存活的时间延长了一倍。这第一次确凿地证明，食物中不可缺少的成分是氨基酸，而不是蛋白质。（虽然小白鼠仍然死得过早，这大概主要是因为缺少当时还不知道的某些维生素。）
在19世纪30年代，美国营养学家W.C.罗斯彻底弄清了氨基酸的问题。当时主要的维生素都已经知道了，所以他可以给动物提供一些必需的维生素，并把注意力集中在氨基酸上。罗斯不用蛋白质而用氨基酸的混合物喂大白鼠，结果靠这种食物大白鼠活不了多久。但是，当他用牛奶蛋白质酪蛋白喂大白鼠时，大白鼠活得很好。显然，酪蛋白中含有某种东西是他所使用的氨基酸混合物中所没有的，这种东西很可能是某种未发现的氨基酸。罗斯将酪蛋白分解，然后试着往他的氨基酸混合物里加入酪蛋白的各种分子片段。用这种方法他找到了苏氨酸。这是人们发现的最后一种主要氨基酸。当他把从酪蛋白中得到的苏氨酸加入他的氨基酸混合物中，再来喂大白鼠时，尽管食物中没有任何完整的蛋白质，大白鼠仍生长良好。
罗斯进而从大白鼠的食物里每次去掉一种氨基酸。用这种方法他终于识别出大白鼠食物里10种不可缺少的氨基酸：赖氨酸、色氨酸、组氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸和精氨酸。只要这些氨基酸足量供给，大白鼠就能够制造出所有它所需要的其他氨基酸，如甘氨酸、脯氨酸、天门冬氨酸、丙氨酸等。
20世纪40年代，罗斯把注意力转移到人对氨基酸的需要上。他说服一些研究生接受经过控制的膳食，在这些膳食中氨基酸的混合物是氮的惟一来源。到1949年，他已经能够宣告，成年男子的膳食中只需要8种氨基酸：苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、赖氨酸、色氨酸和苏氨酸。由于精氨酸和组氨酸对大白鼠是必不可少的，但在人的膳食中却没有必要，所以看起来在这一方面人不如大白鼠特化，实际上也不如已经详细实验过的任何其他哺乳动物特化。
很可能一个人靠膳食中必需的这8种氨基酸就可以生活；只要这些氨基酸足量供给，他就不仅能够制造出他所需要的所有其他氨基酸，而且能够制造出所有的碳水化合物和脂肪。实际上，仅由氨基酸组成的食物，价格会非常昂贵，更不要说这种食物是多么平淡无味了。但是，对我们所需要的氨基酸有一个完整的蓝图是很有帮助的，这样，当有必要最大效率地吸收和利用氮时，我们就能够加强天然蛋白质的供给。
脂肪
脂肪同样也可以分解成比较简单的构件，其中主要是脂肪酸。脂肪酸可以分为饱和和不饱和两种。饱和脂肪酸分子含有所有它们能够携带的氢原子；不饱和脂肪酸分子缺少一对或多对氢原子。如果缺少一对以上的氢原子，则称作多不饱和脂肪酸。
含不饱和脂肪酸的脂肪通常比含饱和脂肪酸的脂肪熔点低。在生物体内，脂肪以液态为宜；因此，植物和冷血动物的脂肪往往比鸟和哺乳动物等温血动物的脂肪含有较多的不饱和脂肪酸。人体不能利用饱和脂肪制造多不饱和脂肪，因此，多不饱和脂肪酸是必需脂肪酸。在这一方面，食素主义者是有利的，他们患缺乏症的可能性更小。
维生素
不幸的是，甚至在近来一些开明的时代，对食物的狂热和迷信仍在欺骗着许多人，并冒出了许多医治百病的畅销品。实际上，可能正是因为这些时代开明，才使对食物的狂热时尚成为可能。在人类历史的大部分时期，人们都是附近地区生产什么就吃什么，而且通常并不丰富。他们必须有什么就吃什么，否则就得挨饿；谁也不能挑剔食物，而没有挑剔就不可能有对食物的狂热时尚。
现代运输能够把食物从地球的某一地区运送到任一其他地区，特别是采用了大规模的冷冻技术以后，更减少了饥荒的威胁。在现代以前，饥荒总在部分地区发生，邻近地区虽然能够提供食物，却无法运送到灾区。
人类早就学会用干燥、腌制、糖渍和发酵等方法来保存食物，从那时起便在家中储藏各种食物。当在真空中储藏烹调好的食物的方法发明以后，就能够把食物保存得接近原来的状态。（烹调可以杀死微生物，而真空可以防止其他微生物生长和繁殖。）第一个应用真空储藏法的是法国厨师阿佩尔。他发明这项技术是为了赢得拿破仑一世为寻求一种为军队保存食物的方法而设立的奖赏。阿佩尔使用的是玻璃罐，现今使用的是镀锡的钢罐。自从第二次世界大战以来，冰冻的新鲜食物越来越受到人们的喜爱。家用冰箱的数目也不断增加，使新鲜食物更加普遍，种类也更多。
营养缺乏病
所有这些并不是说精心选择食物不一定有用，一些特定的食物确实能治疗特殊的疾病，的确有一些这样的事例。每种病例都是营养缺乏病，在食物甚至蛋白质充足时发生的一些病症，这些病是由于食物中缺少人体的化学机器所必需的一些微量物质造成的，然而这些微量的物质在食物中是没有的。当一个人得不到正常而平衡的膳食（含有多种食物）时，几乎必定会得这种缺乏病。
诚然，在19世纪及以前，平衡而多样化膳食的价值就已经为许多医生所理解。当时关于食物的化学仍然是一种奥秘。一个著名的例子就是克里米亚战争中英勇的英国护士南丁格尔，她首先在良好护理的同时，给伤员以适当的饮食。但是，一直等到19世纪末，发现食物中含有生命必不可少的微量物质以后，才有了膳食学（对膳食的系统研究）。
古代人对坏血病非常熟悉。患这种病的人毛细血管越来越脆，牙龈出血，牙齿松动，伤口很难愈合，病人逐渐衰弱，终致死亡。在被围困的城市和长期航海中，这种病特别盛行。（这种病最早出现在1497年绕非洲到印度航行的伽马号船上；22年后第一次环球航行的麦哲伦船队的船员们，患坏血病的人多于患一般营养不足的人。）远航的船只，由于缺乏冷藏技术，必须携带不会腐败的食物，也就是硬饼干和咸猪肉。尽管如此，许多世纪以来，医生们没有把坏血病与膳食联系起来。
1536年，法国探险家卡蒂埃在加拿大过冬期间，他的随员中有110人患了坏血病。土著印第安人知道后，提出一种治疗办法：饮用松针浸泡过的水。卡蒂埃的随员在绝望中采用了这种好像很幼稚的建议，结果治好了他们的坏血病。
两个世纪以后，1747年，苏格兰医生J.林德注意到了一些这样的病例，并用新鲜的水果和蔬菜试着进行治疗。用他的方法对患坏血病的水手进行实验，他发现，橘子和柠檬见效最快。J.库克船长在1772～1775年横渡太平洋的探险航行中，强迫他的船员经常吃泡菜，因而使他们没有发生坏血病。可是，直到1795年，英国海军的高级将领们才对J.林德的实验（以及闹坏血病的舰队没有什么战斗力会使海战失败的事实）有了充分的印象，因而命令英国水手每天都要喝定量的酸橙汁。由于喝了酸橙汁，坏血病从英国海军中消失了。
一个世纪以后，1884年，日本海军将领高木兼宽也采用了类似的办法。他让他的船队把单调的大米饭改为多样的膳食，结果结束了日军海军中一种叫做脚气病的灾祸性疾病。
尽管有这种偶尔用饮食治疗成功的事例（当时谁也讲不出道理），但是19世纪的生物学家不肯相信饮食能够治病，特别是在巴斯德关于疾病的细菌学说盛行起来以后。可是，1896年，一位叫艾克曼的荷兰医生几乎是违背自己意愿地说服了他们。
艾克曼被派到当时荷属的东印度去研究脚气病，在那些地区脚气病是一种流行病（即使在今天，尽管医学已经知道了脚气病的原因和治疗方法，每年仍有100000人死于这种病）。高木兼宽用膳食的方法制止了脚气病，但是西方人显然没有重视，他们可能认为这只是东方神秘的经验知识。
艾克曼假定脚气病是一种由细菌引起的疾病，他用鸡作为实验动物来确定这种细菌。一件非常幸运的欺骗行为打破了他的计划。在没有预兆的情况下，他喂的鸡大部分都得了一种麻痹症，有一些因而死亡；但是大约4个月以后，存活下来的鸡又恢复了健康。艾克曼因为没有找到引起这场病害的细菌而感到迷惑，最后他调查了鸡的饲料。他发现，原来负责喂鸡的那个人为了节省（无疑从中得利），用剩余的饭菜当饲料，这些大部分都是军事医院病房扔掉的白米饭。碰巧，几个月后，一个新厨师到任，接替了喂鸡的工作；他没有那种小偷行为，而用正常的鸡饲料（带壳的稻谷）喂鸡，所以后来鸡又复原了。
艾克曼对此进行实验。他用白米喂鸡，鸡病了；他又用稻谷喂鸡，鸡恢复过来了。这是第一次故意造成的营养缺乏病。艾克曼断定，鸡的这种多神经炎和人的脚气病的症状相似，难道人得脚气病是因为只吃白米的缘故吗？
稻谷去壳主要是为了更好地保存，以便人们食用，因为壳上含有油，很容易腐败，同时去壳时把稻谷上的细菌也就一起去掉了。艾克曼和他的同事格里津斯着手研究究竟是稻壳里的什么物质防止了脚气病。他们用水成功地从稻壳中溶解出这种关键性的因子，并发现这种物质可以通过蛋白质不能通过的膜，显然这种物质一定是一种非常小的分子。可是，当时他们却鉴定不出究竟是一种什么物质。
与此同时，其他研究者也发现了一些似乎是生命所必不可少的神秘因子。1905年，荷兰营养学家帕克尔哈林发现，他用人造食物喂养的小白鼠在一个月内全部死去，就脂肪、碳水化合物和蛋白质来说，人造食物的含量好像是足够的。但是，当他往这种食物里加入几滴牛奶以后，小白鼠活得很好。而在英国，正在证明膳食中氨基酸的重要性的生物化学家霍普金斯，进行了一系列的实验。他也证明，如果把牛奶加入人造食物中去，牛奶酪蛋白中的某种物质可以维持动物的生长。这种物质溶于水。作为膳食的辅助物，少量的酵母提取物比酪蛋白效果更好。
由于他们的开创性的工作，确定了膳食中的微量物质，这些物质是生命所必不可少的，艾克曼和霍普金斯分享了1929年的诺贝尔医学与生理学奖。
分离维生素
下一个任务就是分离食物中这些重要的微量因子。到1912年，三位日本生物化学家铃木、岛村和大岳已经从稻壳中提取了一种化合物。这种化合物治疗脚气病非常有效，5～10毫克的剂量就足以治好鸡的病。同一年，波兰出生的生物化学家冯克（当时在英国工作，后来到了美国）从酵母中制备了同样的化合物。
因为这种化合物被证明是一种胺（即含有胺基NH2），所以冯克称之为维生素（由拉丁语“生命”和“胺”二字组成，过去音译为“维他命”，现统一译为“维生素”）。冯克猜想，脚气病、坏血病、糙皮病和佝偻病都是由缺乏“维生素”引起的。就他把这些病确认为是营养缺乏症来说，冯克的猜想是正确的。但是，后来证明，并非所有的“维生素”都是胺。
1913年，两位美国生物化学家麦科勒姆和M.戴维斯在奶油和蛋黄中发现了另一种对健康非常重要的微量因子，这种因子溶于脂肪性物质而不溶于水。麦科勒姆把这种因子称之为脂溶性物A，而把抗脚气病的因子称之为水溶性物B。在不了解有关这些物质性质的化学组成的情况下，这种做法好像还是很不错的，而由此便开始了用字母命名维生素的习惯。1920年，英国生物化学家德拉蒙德将这两个名字分别改为维生素A和维生素B。他还提出，抗坏血病因子是第三种这类物质，他命名为维生素C。
维生素A很快就被证认为是防止干眼病（眼球周围的膜不正常的干燥）所需要的一种食物因子。1920年，麦科勒姆和他的同事们发现，鳕鱼肝油中有一种物质可以专门用来治疗佝偻病（治疗干眼病和佝偻病都有效）。他们断定，抗佝偻病因子一定是第四种维生素，他们命名为维生素D。维生素D和维生素A是脂溶性的，维生素C和维生素B是水溶性的。
到1930年，人们已经弄清楚，维生素B并不是一种简单的物质，而是具有不同性质的化合物的混合物。治疗脚气病的食物因子被命名为维生素B1，第二个因子被命名为维生素B2，如此等等。有些新因子的报告后来证明是假的，所以后来人们就听不到B3、B4和B5了，但是数字一直用到了B14。这一整组维生素（全部是水溶性的）常被称作维生素B复合物（或复合维生素B）。
新的字母也增加了，其中，维生素E和K（两者都是脂溶性的）是真正的维生素；但维生素F被证明不是维生素；而维生素H被证明是维生素B复合物的一种成分。
现今，由于已经鉴别出了它们的化学组成，即使真正的维生素也正在抛弃它们的字母名称，大多数都用它们的化学名称。但是，由于某种理由，脂溶性维生素比水溶性维生素更顽强地保持着它们的字母名称。
化学组成和结构
要弄清维生素的组成和结构不是一件容易的事情，因为这些物质仅以微量出现。例如，1吨稻壳中只含有大约5克维生素B1。直到1926年，人们才提取了足量的比较纯的维生素供化学分析。两位荷兰生物化学家B.C.P.詹森和多纳思从微量的样品中研究出了维生素B的组成，但是后来证明是错误的。1932年，日本化学家大岳用稍微多一点的样品再次进行尝试，得到了近乎正确的结果。他最先在一个维生素分子中发现了一个硫原子。
最后，1934年，贝尔电话实验室的化学部主任R.R.威廉斯终于达到20年研究的顶点。他不畏艰苦，从成吨的稻壳中分离维生素B1，直到得到足够的量，从而研究出了一个完整的结构式。这个结构式如下：
因为这个分子中最没有预料到的特征就是那个硫原子，所以这种维生素被命名为硫胺素。
维生素C是另一种不同的问题。柑橘类水果是比较丰富的维生素C来源，但是人们很难找到一种实验动物本身不制造维生素C。除人类和其他灵长类动物外，大多数哺乳动物都保留了形成这种维生素的能力。没有一种能够形成坏血病的便宜而初级的实验动物，要在橘汁化学分解的各种片段中找到维生素C的踪迹是困难的。
1918年，美国生物化学家B.科恩和门德尔发现豚鼠不能形成维生素C，从而解决了这个问题。事实上，豚鼠比人更容易患坏血病。但是还有另一个困难，人们发现维生素C非常不稳定（它是最不稳定的一种维生素），因此，在分离它的化学过程中很容易失去。许多研究人员热心地寻找这种维生素，都未成功。
维生素C最后被一个并非特意寻找它的人意外地分离出来了。1928年，匈牙利出生的生物化学家森特-哲尔吉从洋白菜中分离出一种物质，能够帮助把氢原子从一种化合物传递给另一种化合物。森特-哲尔吉当时在伦敦霍普金斯实验室工作，主要想弄清楚组织是怎样利用氧的。此后不久，当时正在寻找维生素C的匹兹堡大学的C.G.金和他的同事们，从洋白菜中制备了一些这种物质，发现这种物质能够有效地防止坏血病。此外，他们还发现，这种物质与他们从柠檬汁中得到的晶体相同。1933年，C.G.金确定了这种物质的结构，原来是一种有6个碳的糖分子，属于L系而不是D系：
它被命名为抗坏血酸（源自希腊语，意思是“没有坏血病”）。
至于维生素A，人们观察到富含维生素A的食物通常呈黄色或橙色（奶油、蛋黄、胡萝卜、鱼肝油等），从而得到关于它的结构的第一个提示。人们发现，一种叫胡萝卜素的碳氢化合物是形成这种颜色的主要物质。1929年，英国生物化学家T.穆尔证明，用含有胡萝卜素的食物喂养的大白鼠，肝内存有维生素A。维生素A本身并不是黄色，所以推断胡萝卜素本身不是维生素A，而是肝脏把它转变成维生素A。（胡萝卜素现在被当作维生素原的一个例子。）
1937年，美国化学家H.N.霍姆斯和科比特从鱼肝油中分离出了维生素A的结晶。结果证明维生素A是一种二十碳化合物，即胡萝卜素分子的一半再加上一个羧基：
正在寻找维生素D的化学家们，通过日光找到了最好的化学线索。早在1921年，最先证明维生素D存在的麦科勒姆小组就指出，吃缺乏维生素D食物的大白鼠，如果暴露在阳光下，也不得佝偻病。生物化学家们猜想，日光的能量把体内的某种维生素原转变成了维生素D。由于维生素D是脂溶性的，所以他们在食物的脂肪物质中去寻找这种维生素原。
把脂肪分解成若干组分，再把每一个组分分别暴露于阳光下，用这种方法他们确定出，由阳光转变成维生素D的维生素原是一种类固醇（甾类化合物）。是什么类固醇？他们检验了胆固醇
（体内最常见的一种类固醇），但不是它。后来，1926年，英国生物化学家罗森海姆和韦伯斯特发现，阳光可以把一种与胆固醇密切相关的固醇转变成维生素D。这种固醇就是麦角固醇（因为它最早是从被麦角菌感染的黑麦中分离出来的，所以这样命名）。德国化学家温道斯大约在同一时间也独立地得到这一发现。由于这项工作及对类固醇的其他研究工作，温道斯获得1928年的诺贝尔化学奖。
用麦角固醇制造维生素D的困难在于，动物体内不产生麦角固醇。最后，人体内的这种维生素原被确定为7－脱氢胆固醇，和胆固醇的区别在于，它的分子中少两个氢原子。由它形成的维生素D的结构式是这样的：
维生素D中有一种叫做钙化醇（源自拉丁语，意思是“携带钙”），因为它是骨骼正常生长所不可缺少的。
并不是所有的维生素缺少时都会产生急性病。1922年，加利福尼亚大学的埃文斯和K.J.斯科特含蓄地指出，有一种维生素是动物不育的一个原因。直到1936年，埃文斯和他的小组才成功地分离出这种维生素，即维生素E，后来被命名为生育酚（源自希腊语，意思是“生孩子”）。
不幸的是，人类是否需要维生素E？需要的量是多少？这些问题目前还不清楚。显然有意地通过饮食造成不育的实验是不能用在人身上的。即使在动物方面，不喂它们维生素E可以使它们不育，这并不一定意味着天生的不育症都是由这种方式引起的。
20世纪30年代，丹麦生物化学家达姆用鸡进行实验，发现一种维生素与血液的凝集有关，他把这种维生素命名为凝血维生素，这个名称最后被缩写成维生素K。后来圣路易大学的多伊西和他的同事们分离出了维生素K并确定了它的结构。达姆和多伊西分享了1943年的诺贝尔医学与生理学奖。
维生素K不是一种主要维生素，也不构成营养上的问题。在正常的情况下，肠内细菌制造的维生素K就足以够用。事实上，它们制造的维生素K很多，以至于粪便中的维生素K可能比食物中的还要丰富。新生婴儿由于缺乏维生素K，特别容易发生血液不易凝集从而出血的危险。在卫生设备现代化的医院，可以使新生婴儿在三天内积聚相当的肠菌供应，并且通过直接给婴儿注射维生素K，或者注射到要临盆的母亲身上，来保护婴儿。以前，婴儿一生下来几乎立即得到细菌，虽然他们可能死于各种感染和疾病，但他们至少没有出血的危险。
事实上，人们可能想知道，在完全没有肠菌的情况下，生物能否生存，或者这种共生现象是否达到了密不可分的程度。不管怎样，没有肠菌的动物从出生就一直在无菌的条件下生长，而且能够在这种条件下繁殖。小白鼠以这种方式可以繁殖12代。从1928年以来，圣母大学一直在进行这类实验。
20世纪30年代末和40年代初，在这一期间内生物学家们鉴别出了另外几种B族维生素，现分别被命名为生物素、泛酸、吡哆醇、叶酸和氰钴胺素。这些维生素全部由肠内细菌制造；而且，它们在食物中普遍存在，不会出现缺乏病。事实上，研究人员为了观察缺乏病的症状，不得不用有意排除这些维生素的人造食物来喂实验动物，甚至还要加入抗维生素以中和肠内细菌制造的维生素。（抗维生素在结构上与维生素相类似，通过竞争性抑制使酶失去活性，不能再利用维生素。）
维生素疗法
在各种维生素中，每一种维生素的结构一经确定，通常紧跟着很快就合成出这种维生素，有时在结构确定以前就合成出来了。例如，1937年R.R.威廉斯和他的小组合成了硫胺素，3年以后他们才推断出这种维生素的结构。波兰出生的瑞士生物化学家赖希施泰因和他的小组1933年合成了抗坏血酸，比C.G.金完全确定其结构略早一点。还有另一个例子，1936年两个不同的化学家小组合成了维生素A，也比完全确定其结构略早一点。
合成维生素的应用使人们能够在食物中增加维生素的含量（早在1924年，牛奶就成了第一种增加维生素的食物），同时能够以合理的价格制备维生素混合剂，在药店出售。对维生素药丸的需求因人而异。在所有的维生素中，最容易缺乏供应的是维生素D。在北方气候中生活的儿童，冬天里阳光微弱，容易患佝偻病，因此可能需要食用辐射处理过的食物和补充维生素。但是，维生素D和维生素A的剂量应当谨慎控制，因为过量使用这些维生素是有害的。
至于B族维生素，一个人只要食用一般的粗粮，就不需要再服用这类维生素药丸。维生素C也是如此，在任何情况下都不会成为问题，因为在认识到这些维生素的时代，很少有人不喜欢喝橘子汁，也很少有人不经常喝橘子汁。
总的来说，维生素药丸的大批应用，主要是增加药店的利润，通常对人是无害的，而美国这一代人比以前几代人身高和体重都有所增加，这可能也是部分原因。
在20世纪70年代，有人提出了大剂量维生素疗法的设想。有人提出，足以防止缺乏病的极少量维生素，不一定能够满足体内最佳功能的需要，也不一定能够足以防止一些其他疾病的发生。例如，有人认为，大剂量地使用某些B族维生素可以改善精神分裂症。
大剂量维生素疗法的最重要的代表者是泡令。1970年，他认为，每日大剂量服用维生素C可以预防感冒，而且对健康还有其他一些好处。虽然他没有使医药界普遍地信服，但是大众总是强调维生素的积极作用（特别是由于这些维生素药丸随时可以买到又很便宜），他们急于服用，把药店里的维生素C抢购一空。
服用过多的水溶性维生素，如维生素B复合物和维生素C，不会造成正向性的伤害。因为体内不储存这些维生素，它们很容易被排泄掉。因此，体内实际上并不需要大剂量，过多地服用只能增加尿中的维生素含量。
脂溶性维生素完全是另外一种情况，特别是维生素A和D。这些维生素可以溶解在身体的脂肪里并储存在那里，而后像脂肪本身一样不易活动。因此，供应量太大会使身体超载而打乱身体的功能，引起所谓的维生素过多症。由于维生素A储存在肝脏里，特别是鱼和食鱼动物的肝脏里（整个年青一代就曾因经常服用鱼肝油而过着一种可怕的生活），所以一直流传着关于北极探险者的恐怖传说，据说这些探险者食用了北极熊肝而患了重病甚至死亡——维生素A中毒。
维生素为酶
生物化学家们自然很想弄清楚，体内如此微量的维生素是怎样对人体化学产生这样重要的影响的。明显的猜测是，维生素与酶有某种关系，因为体内酶的含量也很少。
这个答案最后从对酶化学的详细研究中得到了。研究蛋白质的化学家早已知道，某些蛋白质并不只是由氨基酸组成的，还可能有非氨基酸的辅基存在，如在血红蛋白中就存在着血红素（见第十一章 ）。一般来说，这些辅基倾向于紧密地连接在分子的剩余部分上。但是，对于酶来说，在某些情况下，非氨基酸部分连接得很松，可以毫不费力地移去。
这是哈登在1904年首先发现的（他很快又发现了含磷中间物；见第十二章 ）。哈登是用一种能够使糖发酵的酵母提取物进行研究的。他把这种提取物放在一个用半透膜制成的袋子里，再把袋子放进淡水里，结果发现，小的分子能够穿过半透膜，而大的蛋白质分子穿不过去。在这种透析进行了一段时间以后，哈登发现，提取物的活性消失了，无论是袋子里面的液体还是袋子外面的液体，都不能使糖发酵。如果把两种液体混合在一起，又恢复了活性。
显然，这种酶不仅是由一个大的蛋白质分子而且还有一个辅酶分子组成的，辅酶分子小得可以穿过半透膜的孔。辅酶是酶的活性所必不可少的（打个比方说，它就是刀子的刃）。
化学家们立即着手研究确定这种辅酶（以及其他酶的类似附属物）的结构问题。德国血统的瑞典化学家奥伊勒-克尔平在这方面首先取得了真正的进展，结果，他和哈登分享了1929年的诺贝尔化学奖。
哈登所研究的酵母酶的辅酶，经证明是由一个腺嘌呤分子、两个核糖分子、两个磷酸基和一个烟酰胺分子的结合物组成的。在活组织中发现这最后一种物质是一件不寻常的事情，所以人们的兴趣自然而然地集中到烟酰胺上。［之所以叫做烟酰胺，是因为它含有一个酰胺基（CONH2），而且很容易由烟酸形成。烟酸在结构上与烟碱（尼古丁）有关，但它们的性质上完全不同，例如，烟酸是生命所必须的，而烟碱却是一种剧毒品。］烟酸胺和烟酸的结构式如下：
哈登的辅酶结构式一研究出来，便立即重新命名为二磷酸吡啶核苷酸（DPN），也称做辅酶Ⅰ。
很快又发现了一种类似的辅酶，和DPN的不同之处仅在于它含有三个磷酸基而不是两个，自然，这种辅酶被命名为三磷酸吡啶核苷酸（TPN），也称做辅酶Ⅱ。DPN和TPN被证明是体内许多酶的辅酶，这两种辅酶都起着把氢原子从一个分子传递到另一个分子的作用。（这种酶叫做脱氢酶。）正是辅酶做着传递氢的实际工作，而酶本身每次只是恰当地选择要作用的特定底物。酶和辅酶各有重要的功能，如果两者有一个供应不足，通过传递氢而从食物中释放能量的过程就会减慢以至中断。
在所有这一切当中，立即引起人们注意的是，烟酰胺基是人体本身不能制造的酶的惟一部分。除烟酰胺外，人体能够制造它所需要的所有蛋白质以及DPN和TPN的所有成分，就是说，人体必须在食物中寻找现成的烟酰胺（或者至少是以烟酸的形式）。否则，DPN和TPN的制造就会停止，而且它们所控制的所有递氢反应都要放慢。
烟酰胺或烟酸是维生素吗？碰巧，冯克（创造“维生素”一词的那个人）从稻壳中分离出了烟酸。烟酸不是治疗脚气的那种物质，所以他忽视了它。但是，烟酸在和辅酶连接后就表现出其作用强度，威斯康星大学的生物化学家埃尔维耶姆和他的同事们便在另一种缺乏病上试用它。
在20世纪20年代，美国医生戈德堡研究了糙皮病。这是地中海地区的一种流行病，本世纪初在美国南部几乎也流行起来。糙皮病最明显的症状是皮肤干燥呈鳞状、腹泻和舌头红肿，有时还会导致精神错乱。戈德堡注意到，以有限种类的膳食为生（例如主食玉米粉）的人和只有一头乳牛的贫困家庭里的人经常受到这种病的侵害，于是他开始用人造食物进行实验。他把人造食物给动物和监狱里的囚犯（那里糙皮病好像很猖撅）食用。他成功地使狗产生了黑舌病（一种与糙皮病类似的病），然后又用一种酵母提取物治好了这种病。他发现，在囚犯的食物里加些牛奶就可以治好他们的糙皮病。他断定，这一定与某种维生素有关。他把这种维生素命名为抗糙皮病因子（维生素PP）。
当时，埃尔维耶姆也是选择了糙皮病来进行烟酸的试验。他用微小剂量的烟酸喂患有黑舌病的狗，狗的病有了明显的好转，喂过几次以后病就治好了。烟酸确实是一种维生素，它就是抗糙皮病因子。
美国医学协会担心公众会误认为烟草中含有维生素，要求不要把这种维生素叫做烟酸，并建议命名为尼克酸或抗糙皮病维生素。
人们逐渐地了解到，各种维生素只是辅酶的一部分，每种维生素都是由动物或人体自身所不能制造的一种分子基团组成的。1932年，瓦尔堡曾发现一种黄色的辅酶，可以催化递氢反应。此后不久，奥地利化学家R.库恩和他的同事们便分离出了维生素B2，经证明是黄色的，并弄清了它的结构式：
连接在中间环上的碳链像是一个叫做核糖醇的分子，所以维生素B2被命名为核黄素。由核黄素光谱的测定表明，核黄素的颜色和瓦尔堡的黄色辅酶非常相似，所以R.库恩在1935年试验了这种酶的核黄素活性，发现确实具有这种活性。同一年，瑞典生物化学家泰奥雷尔研究出了瓦尔堡的黄色辅酶的结构，证明它是核黄素加一个磷酸基。（1954年，第二个比较复杂的辅酶也被证明其分子的一部分是核黄素。）
R.库恩获得1938年的诺贝尔化学奖，泰奥雷尔获得1955年的诺贝尔医学与物理学奖。但遗憾的是，R.库恩是在奥地利被纳粹德国侵占后不久被选中获这个奖的，因而被迫拒绝受奖（和多马克一样）。
核黄素是由瑞士化学家卡勒独自合成的。由于这项成果和对维生素研究的其他成果，卡勒分享了1937年的诺贝尔化学奖。（和他分享这个奖的是英国化学家霍沃思，他研究的是碳水化合物分子的环结构。）
1937年，德国生物化学家勒曼和舒斯特发现了一种重要的辅酶，其分子结构有一部分是硫胺素。20世纪40年代发现了B族维生素和辅酶的一些其他联系。吡哆醇、泛酸、叶酸、生物素——相继发现每一种都被连接在酶的一个或几个基上。
维生素很好地表明了人体化学机器的经济性。人体细胞可以免除制造它们，因为它们只具有一种特殊功能，而且细胞可以从食物中得到必要的供应，没有大的风险。有许多其他重要物质，身体只需微量但必须自己制造，例如，ATP（腺苷三磷酸）是由和构成必不可少的核酸基本相同的构件形成的。任何生物如果失去合成核酸所必需的任何酶，很难想象能存活下去，因为生物需要大量的核酸，不能指望食物供应它所需要的构件，而且，能制造核酸自然意味着能合成ATP。因此，目前已知的生物没有不能制造自身的ATP的，大概今后也不会发现这种生物。
