Su, canlı organizmaların en hayati ve temel bileşenlerinden biridir. Oksijensiz solunum yapabilen veya oksijensiz ortamda yaşayabilen bazı canlı türleri var olmasına rağmen, susuz bir yaşamın sürdürülmesi biyolojik olarak imkansızdır. Çünkü canlılığın devamını sağlayan ve metabolizmayı ayakta tutan tüm biyokimyasal reaksiyonlar ve metabolik olaylar sulu çözeltiler içinde gerçekleşmektedir.
Karbohidratlar, doğada en çok bulunan organik molekül gruplarından biridir ve canlılar için temel enerji kaynağı olarak görev yaparlar. Temel işlevleri bu moleküllerin yakılmasıyla hücresel enerji elde edilmesidir. Sadece serbest basit şekerler halinde bulunmazlar; aynı zamanda pek çok farklı organik ve inorganik bileşikle bağ kurarak biyolojik fonksiyonlar üstlenirler.
Monosakkaritler, yapılarında bulunan karbonil ve hidroksil gruplarının kimyasal özelliklerinden ötürü bu grupların tipik reaksiyonlarını vermektedir. Bu reaksiyonların başında ester oluşumu, özellikle de fosfat esterlerinin sentezi gelmektedir. Monosakkarit moleküllerine fosfat grubunun bağlanması süreci 'fosforilasyon' olarak adlandırılmaktadır.
Depo polisakkaritleri arasında en önemlilerinden biri olan nişasta, bitkilerin kök, meyve ve tohumlarında yoğun olarak bulunmakla birlikte bitkinin tüm kısımlarında yer alabilir. Hücre içinde sitoplazmada ilgili enzimlerle birlikte granüller halinde bulunur ve bu nişasta granüllerinin büyüklüğü ile şekli elde edildiği bitkisel kaynağa göre değişiklik gösterir. Besinsel olarak hububatlar, patates, kuruyemişler ve baklagiller nişasta bakımından oldukça zengindir.
Lipitler, genel olarak suda çözünmeyen, eter, benzen ve kloroform gibi organik çözücülerde çözünebilen önemli bileşiklerdir. Canlı organizmaların en temel enerji kaynaklarından biri olan lipitler, yapı ve fonksiyon açısından kendi aralarında büyük çeşitlilik gösterirler. Hücre ve organel zarlarının temel yapı taşlarını oluştursalar da, protein ve karbonhidratlar gibi polimer yapı oluşturmazlar.
Sifingolipitlerin kimyasal yapısında gliserol molekülü bulunmaz; bunun yerine sifingozin veya onun benzeri bir amino alkol baz yapısı yer alır. Genellikle beyin ve sinir dokularında oldukça bol miktarda bulunurken, bitki hücre zarlarında ise daha az miktarlarda gözlenir. Sifingolipitler temel olarak iki ana gruba ayrılır: Sifingomyelinler ve glikosifingolipitler.
Proteinler, hücrelerde en fazla bulunan makromoleküller olup canlıların kuru ağırlığının yaklaşık % 50'sini oluştururlar. Protein kelimesi, Yunanca "en önemli" anlamına gelen "proteius" sözcüğünden türetilmiştir. Biyolojik sistemlerde yapısal ve işlevsel olarak neredeyse tüm hayati süreçlerde anahtar rol oynayan çok sayıda protein çeşidi bulunmaktadır.
Bir amino asidin alfa-amino grubu ile ikinci bir amino asidin alfa-karboksil grubunun reaksiyona girmesi ve bu sırada bir molekül su açığa çıkması sonucunda dipeptit oluşur. Bu birleşmeyi sağlayan kovalent krakterli bağa peptit bağı adı verilir. Peptit bağı, moleküler yapısındaki rezonans etkisinden ötürü yaklaşık yüzde kırk oranında kısmi çift bağ karakteri sergiler.
Enzimler, proteinlerin en büyük ve en çok özelleşmiş grubunu oluştururlar. Canlı organizmalardaki kimyasal reaksiyonları hızlandıran ve hiçbir yan ürün oluşturmadan yüzde yüzlük bir ürün verimi sağlayan biyolojik katalizörlerdir. Katalitik RNA moleküllerinin küçük bir grubu hariç olmak üzere, bütün enzimler protein yapısındadır ve mol kütleleri 10^4 ile 10^6 dalton arasında değişmektedir.
Enzimler tarafından katalizlenen kimyasal reaksiyonların hızını doğrudan etkileyen birçok farklı faktör bulunmaktadır. Bu faktörler arasında ortamın pH derecesi, ısı, ışık gibi fiziksel etmenler, enzim konsantrasyonu, substrat konsantrasyonu, zaman, reaksiyon ürünleri ve ortamda bulunan çeşitli iyonlar yer alır. Ayrıca hormonlar ve diğer biyokimyasal faktörler de enzim aktivitesinde düzenleyici rol oynar.
Nükleik asitler, canlılardaki genetik bilgiyi taşıyan ve bu bilginin kuşaktan kuşağa aktarılmasını sağlayan en temel biyomoleküllerdir. İlk defa hücre çekirdeğinden 1869 yılında izole edilmişlerdir. Bu makromoleküllere 'nükleik asit' denilmesinin temel sebebi, yapılarında bulunan fosfat gruplarının güçlü bir şekilde asidik özellik göstermesidir.
Nükleozomlar, DNA ipliğinin histon adı verilen proteinler üzerine sarılmasıyla oluşan yaklaşık 100 A° aralıklarla yerleşmiş 4'lü formdaki nükleoprotein yapılardır. Bu paketleme mekanizması sayesinde uzun DNA şeritleri hücre çekirdeğine sığabilecek şekilde bobinler halinde düzenlenir ve nihayetinde kromozomları meydana getirir. Ökaryotik hücrelerde DNA'ya bağlı bulunan proteinler genel olarak iki ana sınıfa ayrılır: Bunlar küçük yapıdaki histon proteinleri ve histon olmayan kromozomal proteinlerdir.
Hücresel metabolik reaksiyonlar için çok az miktarları yeterli olan ve eksikliklerinde çeşitli metabolik sorunlara neden olan organik bileşiklere vitamin adı verilir. Kelime anlamı 'hayat amini' olan bu maddelerin birçoğu günümüzde amin yapısında olmamasına rağmen geleneksel olarak bu isimle anılmaktadır. Diğer organik besin maddelerinden farklı olarak dokuların yapısına katılmazlar ve organizmaya doğrudan enerji sağlayamazlar.
Biyotin, birbiriyle kondanse olmuş bir imidazol ve bir tiyofen halkasından meydana gelmiş olan ve vücutta kritik metabolik görevler üstlenen bir B grubu vitaminidir. Bu önemli vitamin ilk olarak 1935 yılında karaciğer ekstraktlarından izole edilmiştir ve canlı organizmalarda enzimlere lizin amino asidi ile bağlanarak kovalent bir form oluşturur; bu bağlı forma biyositin adı verilmektedir. Pirüvat karboksilaz enzimi, ATP ve biyotin varlığında vücuttaki temel karboksilasyon reaksiyonlarını katalizler.