3.1 生体高分子の合成
生命に不可欠な大きな分子である生体高分子（タンパク質、炭水化物、核酸、脂質）は、モノマーと呼ばれるより小さな有機分子が共有結合で連結してできたポリマーです。ポリマーは、その構成要素であるモノマーとは異なる新しい特性を持ち、細胞の浸透圧を適切に保つ上でも重要です。モノマー同士が結合する際には、水分子が一つ失われ（脱水合成または縮合反応）、共有結合が形成されます。逆に、ポリマーがモノマーに分解される際には、結合一つあたりに水分子が一つ使われます（加水分解）。これらの反応は、酵素の助けを借りて効率よく進みます。脱水合成にはエネルギーが必要であり、加水分解ではエネルギーが放出されます。
3.2 炭水化物
炭水化物は、細胞にとって重要なエネルギー源であり、植物細胞や真菌、節足動物などにおいては構造的な支えとしても機能します。炭水化物は、構成するモノマー（単糖類）の数によって、単糖類、二糖類、多糖類に分類されます。単糖類は、脱水反応によってグリコシド結合を形成し、二糖類や多糖類になります。グルコース、ガラクトース、フルクトースは代表的な単糖類、ラクトース、マルトース、スクロースは代表的な二糖類です。デンプンとグリコーゲンは多糖類であり、それぞれ植物と動物におけるグルコースの貯蔵形態です。セルロースは植物細胞壁の主成分となる構造多糖類、キチンは節足動物の外骨格や真菌の細胞壁を構成する多糖類です。グルコースをポリマーとして貯蔵することで、細胞からの漏出や過剰な浸透圧上昇を防いでいます。
3.3 脂質
脂質は、水に溶けにくい（非極性、疎水性）という共通の性質を持つ多様な生体高分子です。主な種類には脂肪と油（トリアシルグリセロールまたはトリグリセリド）、ロウ、リン脂質、ステロイドがあります。脂肪はエネルギーの長期貯蔵形態であり、グリセロールと脂肪酸から構成されます。脂肪酸には、炭素間の結合がすべて単結合の飽和脂肪酸と、二重結合を含む不飽和脂肪酸があります。不飽和脂肪酸の二重結合の立体配置（シス型またはトランス型）は、その性質（常温で液体か固体か）に影響を与えます。リン脂質は細胞膜の主要な構成要素であり、親水性の頭部と疎水性の尾部を持つ両親媒性分子です。ステロイドは4つの融合した炭素環を持つ特徴的な構造をしており、コレステロールはその代表例で、細胞膜の流動性を維持し、ステロイドホルモンの前駆体となります。
3.4 タンパク質
タンパク質は、細胞内で非常に多様な機能（酵素、輸送、構造、防御、調節など）を担う生体高分子です。タンパク質のモノマーはアミノ酸であり、20種類が一般的です。各アミノ酸は共通の基本構造と、それぞれ異なるR基（側鎖） を持ちます。アミノ酸はペプチド結合によって連結し、長い鎖（ポリペプチド）を形成します。タンパク質の構造には4つのレベルがあります。一次構造はアミノ酸の配列順序、二次構造はαヘリックスやβプリーツシートといった局所的な折りたたみ構造、三次構造はポリペプチド鎖全体の三次元的な立体構造、四次構造は複数のポリペプチド鎖（サブユニット）の集合体構造です。タンパク質の特定の立体構造はその機能に不可欠であり、熱やpHの変化による変性は機能喪失につながります。タンパク質が正しく折り畳まれる（タンパク質の折りたたみ）ためには、しばしばシャペロンの助けが必要です。
3.5 核酸
核酸は、細胞の活動（細胞分裂やタンパク質合成など）を指示するヌクレオチドからなる生体高分子です。各ヌクレオチドは、ペントース糖、窒素塩基、リン酸基から構成されます。主な核酸はDNAとRNAです。DNAは遺伝情報の設計図であり、親から子へと受け継がれます。DNAは二重らせん構造をとり、二本の鎖は逆平行で、互いに相補的な塩基対（AとT、GとC）を形成しています。RNAは通常一本鎖で、タンパク質合成とその調節に関与します。mRNAはDNAの情報をリボソームへ伝え、rRNAはリボソームの構成要素となり、tRNAはアミノ酸を運びます。miRNAは遺伝子発現を調節します。遺伝情報はDNAからRNAへ（転写）、そしてRNAからタンパク質へ（翻訳）と流れます（セントラルドグマ）。
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