Biomoleküle sind organische Moleküle, die in lebenden Organismen vorkommen und wesentliche Funktionen für das Leben erfüllen. Sie sind die grundlegenden Bausteine von Zellen und Geweben und übernehmen entscheidende Rollen in der Struktur, Funktion, Regulation und Energiespeicherung von biologischen Systemen. Biomoleküle lassen sich in vier Hauptgruppen einteilen: Kohlenhydrate, Lipide, Proteine und Nukleinsäuren. Jede dieser Gruppen hat spezifische Eigenschaften und Aufgaben, die eng mit dem Aufbau und der Funktion von Organismen verbunden sind.

Kohlenhydrate, auch Saccharide genannt, bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und dienen als primäre Energiequelle sowie als strukturelle Komponenten in Organismen. Sie werden in Einfachzucker (Monosaccharide wie Glukose), Zweifachzucker (Disaccharide wie Saccharose) und Mehrfachzucker (Polysaccharide wie Stärke und Cellulose) unterteilt. Während Glukose die Zellen unmittelbar mit Energie versorgt, fungieren Polysaccharide wie Glykogen und Stärke als Energiespeicher in Tieren und Pflanzen. Zellulose hingegen bildet die Hauptkomponente pflanzlicher Zellwände und verleiht diesen Stabilität.

Lipide sind eine diverse Gruppe von Biomolekülen, die weitgehend wasserunlöslich sind und hauptsächlich aus Kohlenstoff und Wasserstoff bestehen. Sie umfassen Fette, Öle, Phospholipide und Steroide. Lipide sind primär für die Energiespeicherung, den Aufbau biologischer Membranen und die Signalübertragung verantwortlich. Fette und Öle speichern Energie in Form von Triglyceriden, die beim Abbau eine hohe Energiemenge freisetzen. Phospholipide bilden die Doppelschichtstruktur der Zellmembranen und schaffen so eine Barriere, die den Zellaustausch reguliert. Steroide wie Cholesterin stabilisieren die Zellmembran und sind Ausgangsstoffe für wichtige Hormone, etwa Sexualhormone.

Proteine sind komplexe Makromoleküle, die aus Aminosäuren bestehen und eine Vielzahl struktureller und funktioneller Aufgaben erfüllen. Sie spielen eine zentrale Rolle bei fast allen Prozessen im Organismus, darunter der Katalyse chemischer Reaktionen, der Zellstruktur, dem Transport von Molekülen und der Immunabwehr. Enzyme, eine besondere Klasse von Proteinen, wirken als Biokatalysatoren und beschleunigen biochemische Reaktionen. Strukturproteine wie Kollagen verleihen Geweben Stabilität, während Transportproteine wie Hämoglobin Sauerstoff im Blut transportieren. Die Vielfalt und Funktionalität der Proteine wird durch die Abfolge und räumliche Anordnung ihrer Aminosäuren bestimmt, die eine spezifische dreidimensionale Struktur ergeben, welche für die jeweilige Funktion unerlässlich ist.

Nukleinsäuren wie DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) sind die Träger der genetischen Information und entscheidend für die Speicherung und Übertragung von Erbinformationen. DNA enthält die Bauanleitung für alle Proteine und ist in der Regel in Form eines Doppelstrangs organisiert, der eine spezifische Sequenz von Nukleotiden (Basen) aufweist. Diese Basensequenz codiert die genetische Information, die bei der Zellteilung weitergegeben wird. RNA spielt eine zentrale Rolle bei der Umsetzung dieser genetischen Information in Proteine durch den Prozess der Transkription und Translation. Einige RNA-Moleküle erfüllen darüber hinaus katalytische und regulatorische Funktionen in der Zelle.

Neben diesen Hauptgruppen gibt es auch kleinere Biomoleküle und Molekülklassen, die eine wichtige Rolle in biologischen Prozessen spielen. Dazu gehören Vitamine, die als Cofaktoren Enzymreaktionen unterstützen, und sekundäre Pflanzenstoffe, die Pflanzen beispielsweise Schutz vor Fressfeinden bieten oder in Wechselwirkungen mit anderen Organismen wirken. Auch Hormone und Neurotransmitter sind spezielle Biomoleküle, die als Botenstoffe agieren und lebenswichtige Signale innerhalb des Körpers weitergeben.

Biomoleküle interagieren ständig miteinander und bilden komplexe Netzwerke, die die biochemischen Prozesse des Lebens steuern. So hängen etwa Stoffwechselwege eng miteinander zusammen und ermöglichen es Organismen, Energie effizient zu nutzen und zu speichern, Zellen und Gewebe zu reparieren und zu erneuern sowie auf Umweltreize zu reagieren. Die Erforschung von Biomolekülen und ihrer Funktion bildet daher die Grundlage für ein tiefes Verständnis biologischer Prozesse und hat weitreichende Anwendungen in Medizin, Biotechnologie und Pharmazie. Sie ermöglicht die Entwicklung neuer Medikamente, die Erforschung genetischer Krankheiten und die Verbesserung landwirtschaftlicher Methoden durch gentechnische Eingriffe.