生物分子是對存在于生物體中的分子的廣泛使用的術語，這些分子對于一個或多個典型的生物過程（例如細胞分裂、形態發生或發育）是必不可少的。生物分子包括大分子（或聚陰離子），如蛋白質、碳水化合物、脂質和核酸，以及小分子，如初級代謝物、次級代謝物和天然產物。此類材料的更通用名稱是生物材料。生物分子是生物體的重要元素，這些生物分子通常是內源性的，在生物體內產生，但生物體通常需要外源性生物分子，例如某些營養物質才能生存。生物學及其生物化學和分子生物學的子領域研究生物分子及其反應。大多數生物分子是有機化合物，只有四種元素——氧、碳、氫和氮——構成了人體質量的96%。但許多其他元素，如各種生物金屬，也少量存在。特定類型的分子（生物分子）和某些代謝途徑的一致性是廣泛多樣的生命形式中不變的特征；因此，這些生物分子和代謝途徑與細胞理論和進化論一起被稱為生物化學普遍性或生物物質統一理論，這是生物學中的一個統一概念。

存在多種生物分子，包括：

• 小分子：
  • 脂質、脂肪酸、糖脂、甾醇、單糖
  • 維生素
  • 激素、神經遞質
  • 代謝物
• 單體、低聚物和聚合物：

核苷是通過將核堿基連接到核糖或脫氧核糖環上形成的分子。這些的例子包括胞苷(C)、尿苷(U)、腺苷(A)、鳥苷(G)和胸苷(T)。核苷可以被細胞中的特定激酶磷酸化，產生核苷酸。DNA和RNA都是聚合物，由聚合酶從單核苷酸的重復結構單元或單體組裝而成的長線性分子組成。DNA使用脫氧核苷酸C、G、A和T，而RNA使用核糖核苷酸（在戊糖環上有一個額外的羥基(OH)基團）C、G、A和U。修飾堿基相當常見（例如基環上帶有甲基），如在核糖體RNA或轉移RNA中發現的，或用于在復制后區分新的和舊的DNA鏈。每個核苷酸由無環含氮堿基、戊糖和一到三個磷酸基團組成。它們含有碳、氮、氧、氫和磷。它們作為化學能的來源（三磷酸腺苷和三磷酸鳥苷），參與細胞信號傳導（環磷酸鳥苷和環磷酸腺苷），并被納入酶促反應的重要輔助因子（輔酶A、黃素腺嘌呤二核苷酸、黃素單核苷酸和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸鹽）。

DNA結構以著名的雙螺旋結構為主，該雙螺旋結構由C與G和A與T的Watson-Crick堿基配對形成。這被稱為B型DNA，絕大多數是最有利和最常見的DNA狀態；其高度特異性和穩定的堿基配對是可靠的遺傳信息存儲的基礎。DNA有時會以單鏈（通常需要通過單鏈結合蛋白來穩定）或A型或Z型螺旋的形式出現，并且偶爾會以更復雜的3D結構出現，例如DNA復制過程中霍利迪交界處的交叉。相反，RNA形成大而復雜的3D三級結構，讓人聯想到蛋白質，以及具有構成信使RNA分子的局部折疊區域的松散單鏈。這些RNA結構包含許多A型雙螺旋鏈，通過單鏈環、凸起和連接點連接成明確的3D排列。例如tRNA、核糖體、核酶和核糖開關。這些復雜的結構是由于RNA骨架比DNA具有更少的局部靈活性，但有大量不同的構象，顯然是因為核糖上額外的OH的正負相互作用。結構化的RNA分子可以與其他分子進行高度特異性結合，并且自身可以被特異性識別；此外，它們可以進行酶催化（當它們被稱為核酶時，

單糖是碳水化合物的最簡單形式，只有一種單糖。它們的結構中基本上包含醛基或酮基。單糖中醛基的存在由前綴aldo-表示。類似地，酮基由前綴keto-表示。單糖的例子是己糖、葡萄糖、果糖、丙糖、丁糖、庚糖、半乳糖、戊糖、核糖和脫氧核糖。食用的果糖和葡萄糖具有不同的胃排空率、不同的吸收和不同的代謝命運，為兩種不同的糖類提供了多種機會來不同地影響食物攝入。大多數糖類最終為細胞呼吸提供燃料。當兩個單糖或兩個單糖在除去水的情況下形成鍵時，就會形成二糖。它們可以通過與稀酸一起煮沸或與適當的酶反應來水解以產生它們的糖精構件。二糖的例子包括蔗糖、麥芽糖和乳糖。多糖是聚合的單糖或復合碳水化合物。它們有多種單糖。例子是淀粉、纖維素和糖原。它們通常很大并且通常具有復雜的分支連接。由于它們的大小，多糖不溶于水，但它們的許多羥基在暴露于水中時會單獨水合，一些多糖在水中加熱時會形成粘稠的膠態分散體。具有3-10個單體的較短多糖稱為寡糖。開發了一種用于識別糖類的熒光指示劑-位移分子印跡傳感器。成功判別三個品牌的橙汁飲料。所得傳感膜的熒光強度變化與糖類濃度直接相關。

木質素是一種復雜的多酚大分子，主要由β-O4-芳基鍵組成。在纖維素之后，木質素是第二豐富的生物聚合物，是大多數植物的主要結構成分之一。它包含衍生自對香豆醇、松柏醇和芥子醇的亞基，并且在生物分子中是不尋常的，因為它是外消旋的。缺乏旋光性是由于通過自由基偶聯反應發生的木質素聚合，其中在手性中心對任一構型均無偏好。

脂質（油質）主要是脂肪酸酯，是生物膜的基本組成部分。另一個生物學作用是能量儲存（例如甘油三酯）。大多數脂質由一個極性或親水性頭部（通常是甘油）和一到三個非極性或疏水性脂肪酸尾部組成，因此它們是兩親性的。脂肪酸由未支鏈的碳原子鏈組成，這些碳原子鏈僅通過單鍵（飽和脂肪酸）或通過單鍵和雙鍵（不飽和脂肪酸）連接。鏈通常有14-24個碳基團長，但總是偶數。對于生物膜中存在的脂質，親水性頭部來自以下三類之一：

• 糖脂，其頭部含有具有1-15個糖殘基的寡糖。
• 磷脂，其頭部包含一個帶正電荷的基團，該基團通過帶負電荷的磷酸基團與尾部相連。
• 甾醇，其頭部包含一個平面類固醇環，例如膽固醇。

其他脂質包括前列腺素和白三烯，它們都是由花生四烯酸合成的20碳脂肪酰基單元。它們也被稱為脂肪酸

氨基酸含有氨基和羧酸官能團。（在生物化學中，術語氨基酸用于指氨基和羧酸官能團連接到相同碳的氨基酸，加上實際上不是氨基酸的脯氨酸）。有時在蛋白質中觀察到修飾的氨基酸；這通常是翻譯后酶促修飾（蛋白質合成）的結果。例如，激酶對絲氨酸的磷酸化和磷酸酶的去磷酸化是細胞周期中的重要控制機制。在某些生物體中，除了標準的20種氨基酸之外，只有兩種氨基酸在翻譯過程中被摻入蛋白質中：

• 硒代半胱氨酸以UGA密碼子并入某些蛋白質中，該密碼子通常是終止密碼子。
• 吡咯賴氨酸以UAG密碼子并入一些蛋白質中。例如，在用于產生甲烷的酶中的一些產甲烷菌。

除了用于蛋白質合成的氨基酸外，其他生物學上重要的氨基酸包括肉堿（用于細胞內的脂質轉運）、鳥氨酸、GABA和牛磺酸。

形成蛋白質的特定氨基酸系列被稱為該蛋白質的一級結構。這個序列是由個體的基因組成決定的。它指定了沿線性多肽骨架的側鏈基團的順序。蛋白質具有兩種類型分類明確、經常出現的局部結構元素，這些元素由沿著主鏈的特定氫鍵模式定義：α螺旋和β折疊。它們的數量和排列方式稱為蛋白質的二級結構。α螺旋是由一個氨基酸殘基的主鏈CO基團（羰基）和i+4殘基的主鏈NH基團（酰胺）之間的氫鍵穩定的規則螺旋。螺旋每圈大約有3.6個氨基酸，氨基酸側鏈從螺旋的圓柱體中伸出。β褶皺片由各個β鏈之間的主鏈氫鍵形成，每個β鏈都處于延伸或完全延伸的構象。這些股線可以彼此平行或反平行，并且側鏈方向在片材上下交替。血紅蛋白僅包含螺旋，天然絲由β折疊片形成，許多酶具有交替螺旋和β鏈的模式。二級結構元素通過非重復構象的環或線圈區域連接，這些區域有時非常移動或無序，但通常采用明確定義的穩定排列。蛋白質的整體、緊湊的3D結構稱為其三級結構或折疊。它是由氫鍵、二硫鍵、疏水相互作用、親水相互作用、范德華力等各種吸引力的結果形成的。當兩條或多條多肽鏈（序列相同或不同）聚集形成一個蛋白質時，就形成了蛋白質的四級結構。四級結構是聚合（相同序列鏈）或異聚（不同序列鏈）蛋白質的屬性，如血紅蛋白，由兩條α和兩條β多肽鏈組成。

脫輔基酶（或通常是脫輔基蛋白）是沒有結合任何小分子輔因子、底物或抑制劑的蛋白質。它通常作為蛋白質的非活性儲存、運輸或分泌形式很重要。例如，這是保護分泌細胞免受該蛋白質活性影響所必需的。添加輔因子后，脫輔基酶成為活性酶。輔因子可以是無機的（例如，金屬離子和鐵硫簇）或有機化合物（例如，[黃素基團|黃素]和血紅素）。有機輔因子可以是與酶緊密結合的輔酶基團，也可以是在反應過程中從酶的活性位點釋放的輔酶。

同工酶或同工酶是酶的多種形式，蛋白質序列略有不同，功能非常相似但通常不相同。它們要么是不同基因的產物，要么是可變剪接的不同產物。它們可以在不同的器官或細胞類型中產生以執行相同的功能，也可以在不同的調節下在相同的細胞類型中產生幾種同工酶，以適應不斷變化的發育或環境的需要。LDH（乳酸脫氫酶）具有多種同工酶，而胎兒血紅蛋白是發育受調控的非酶蛋白同工型的一個例子。血液中同工酶的相對水平可用于診斷分泌器官的問題。