Клетките не съдържат атоми на елементи, които не се намират в обкръжаващата ги нежива природа. Въпреки това елементният състав на живите организми рязко се отличава от състава на земната кора. От установените в нея близо 100 химични елемента в състава на организмите участват предимно следните: O, C, N, H, P, S, Na, K, Mg, Ca, Cl, Mn, Fe, Co, Zn, B, Al, V, Mo, J, F и Si. Съотношението на тези химични елементи в живите организми е различно от съотношението им в земната кора.
При повечето организми на четирите химични елемента - въглерод, азот , водород и кислород - се падат 99% от общата маса. Тези четири елемента лесно образуват ковалентни връзки чрез сдвояване на един от своите единични валентни електрони с един единичен валентен електрон на атома партньор. Тъй като здравината на ковалентната връзка е обратно пропорционална на атомните маси на свързаните чрез нея атоми, следва, че споменатите четири химични елемента - C, N, H и O - са най-подходящи в биологично отношение. Въглеродните атоми могат да образуват стабилни ковалентни и въглеродни връзки, като образуват скелетите на твърде голям брой различни органични молекули. В тях могат да се включат значителен брой функционални групи, понеже въглеродните атоми образуват ковалентни връзки с водорода, кислорода, асота и сярата. Характерна отличителна особеност за съединенията на въглерода е способността на сдвоените електрони да образуват около всеки въглероден атом тетраедрична конфигурация, благодарение на която различните видове органични молекули имат различна триизмерна структура. Никой друг химичен елемент не може като въглерода да създаде стабилни молекули с толкова разнообразни размери и конфигурации и с толкова разнообразни функционални групи.
Равнища на молекулна организация
Сложните органични биомолекули могат да се образуват от прости нискомолекулни предшественици - H2O, CO2, N2, респективно на NH3, които се получават от външната среда. В процеса на метаболизма тези предшественици търпят последователни превръщания, като се образуват междинни продукти на метаболизма със редна молекулна маса. Това са така наречените строителни блокове. Те се свързват помежду си с ковалентни връзки, като образуват макромолекули със сравнително по-големи молекулни маси. Например монозахаридите са строителни блокове за полизахаридите, аминокиселините - за белтъчните вещества, мононуклеотидите - за нуклеиновите киселини, а мастните киселини - за повечето липиди.
Макромолекулите от различни групи могат да се обединяват помежду си, като образуват надмолекулни комплекси. Това обединяване обаче не се осъществява чрез ковалентни връзки, хидрофобни взаимодействия и вандерваалсови сили. Това нековалентно свързване на макромолекулите в надмолекулните комплекси е много специфично и относително стабилно поради комплементарността на отделните части на комплекса или поради геометричното им съответствие. Такива надмолекулни комплекси от нуклеинови киселини и белтъчни вещества, а също и липопротеидите, които представляват комплекси на липиди и белтъчни вещества.
От своя страна различните надмолекулни комплекси се обединяват в органели. Такива са например ядрата, митохондриите, хлоропластите и други. И тук различните компоненти се обединяват чрез нековалентни взаимодействия.
Размерите на различните биомолекули варират.
Четирите основни вида биомолекула (нуклеиновите киселини, белтъчните вещества, полизахаридите и липидите) са застъпени в различните организми в приблизително едни и същи пропорции. За отбелязване е, че и функциите на тези биомолекули са идентични във всички видове организми.
Биологичните макромолекули по своята структура са два вида - информационни и неинформационни. Към информационните макромолекули спадат нуклеиновите киселини и белтъчните вещества, а към неинформационните - хомополизахаридите и липидите.
Първични биомолекули
При изследване на химичния състав на най-простите клетки се стига до извода, че те са построени от молекули, изградени само от 30 различни органични съединения: 20 аминокиселини, 5 ароматни азотсъдържащи бази (урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин), 1 мастна киселина (палмитинова), 2 монозахарида (алфа D-рибоза и D-глюкоза), 1 тривалентен алкохол (глицерин) и 1 азотсъдържащ алкохол (холин).
Тези първични биомолекули са предшественици на всички други биомолекули. При изследване на метаболизма с белязани атоми се установи, че между първичните биомолекули съществува връзка, която се реализира чрез общи междинни продукти, получени при ензимните реакции на метаболизма. Първичните биомолекули са се оказали пригодни за компоненти на живата клетка не само поради своята структура и свойтва, но и понеже могат да участват в най-разнообразни взаимни превръщания.
Новите по-сложни и разнообразни биомолекули, които възникнали с еволюцията на живите организми, представляват структурни и метаболитни производни на първичните биомолекули. Сега в живите организми са установени над 150 аминокиселини, но всички те произхождат от първичните 20 аминокиселини. Познати са доста нуклеотида и голям брой полинуклеотиди, но те произхождат от първичните 5 азотсъдържащи бази. Разнообразните полизахариди, съдържащи се в различните организми, са образувани от около 70 монозахарида, които обаче произхождат от глюкозата. Различните мастни киселини произхождат от палмитиновата киселина, повечето алколоиди - от първичните аминокиселини, терпените - от изопрена, който се образува от остатъци от оцетна киселина, а тя е продукт от деградацията на мастните киселини и на захарите. Така че всички познати сега биомолекули имат своя биогеноза, свързана с първичните биомолекули.
Произход на биомолекулите
Съгласно геологичните данни земната кора е затвърдяла преди около 4-4,6 милиарда години. Според палеонтологични данни преди около 4 милиарда години вече са съществували едноклетъчни организми.
Съветският биохимик А. И. Опарни предположи, че газовите компоненти на примитивната атмосфера са послужили за предшественици на органични съединения. Под влияние на различни излъчвания и на електрични изпразвания компонентите на примитивната атмосфера - N2, H2, CO и CO2 - са могли да взаимодействат и да образуват органични съединения. Сега това предположение е потвърдено с лабораторни опити. Чрез такива опити са получени много органични вещества - представители на всички най-важни видове съединения, срещани в живите организми, а също и на съединения, които не са застъпени в организмите. Вероятно първичният океан е бил богат с разтворени в него абиогенни органични съединения. Сред тях е имало и такива, които са могли да служат като строителни блокове за компонентите на живите организми. От наличните в първичния океан прости органични съединения били отбирани тези, които в най-голяма степен допринасяли за преживяването на първите живи организми.
Като се вземе предвид, че при опитите за абиогенна синтеза са установени неколкостотин органични съединения и че за изграждането на първите едноклетъчни организми е имало продължителен подбор на органични съединения. По всяка вероятност биомолекулите са най-простите от всички възможни и същевременно най-многостранните и най-съответстващите по своите разнообразни функции молекули в живата клетка.
Пригодност на биомолекулите
Размерите, структурата и свойствата на биомолекулите играят изключително важна роля за изпълнението на функцията им като строителни блокове на структурните компоненти на клетката, а също така и за определянето на характера на поведението им в биологичните системи.
За биологичните отнасяния на макромолекулата особено важни за тримерната структура и топографията на нейната повърхност. Белтъчните вещества например при нормални условия се намират в живта клетка под формата на тримерна конформация, която е специфична за молекулата на всяко белтъчно вещество. Тази специфична конформация се нарича нативна и е необходима за биологичната му активност.
Ензимът може да различи освен простата тримерна структура на субстратната молекула също така и нейните различни участъци, знака на техните електрични заряди и разстоянието между тях, положението на незаредените полярни групи и други.
Точността на комплементарното съответствие на субстрата и на активния център на ензима обуславя високата избирателност на ензимната катализа и отсъствието на странични продукти при ензимните реакции.