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Makromoleküle haben in der Zelle grundsätzlich andere Aufgaben als die bisher besprochenen kleinen Moleküle. Sie entstehen durch Polymerisation aus kleinen - monomeren - Einheiten. Drei Makromolekülklassen haben in der Zelle eine besondere Bedeutung
Polysaccharide,
Polypeptide (Proteine) und
Nukleinsäuren.
Für alle drei Klassen gilt, daß aufgrund der Bauprinzipien (Verknüpfungsmöglichkeiten der Monomeren, unterschiedliche Monomere, unterschiedliche Bindungstypen) beliebig viele unterschiedliche Kombinationen denkbar sind. Dennoch ist ihre Zahl in den Zellen überschaubar. Das liegt zum einen daran, daß die Monomeren nicht in beliebig großer Zahl zur Verfügung stehen und zum anderen, daß für jede Art einer Verknüpfung ein spezifisches Enzym benötigt wird. Zellen enthalten zwar genügend Enzyme, doch unterliegt auch ihre Zahl einem Selektionsdruck, der sie auf die unbedingt notwendige Menge begrenzt. Gerade am Beispiel der Polysaccharide kann demonstriert werden, daß nur ein sehr limitiertes Spektrum fertiger Produkte entsteht. Viele Polysaccharide sind aus nur einem Monomerentyp aufgebaut, was zu Einförmigkeit und Regelmäßigkeit der Molekülstruktur führt. Solche Moleküle eignen sich besonders gut zum Aufbau größerer geordneter Strukturen (z.B. der Zellwand); andere Polysaccharide dienen als Speicherstoffe. Eine dritte Kategorie, bei der diverse Monomere miteinander verknüpft sind, findet man in der Matrix der Zellwand und an Zelloberflächen, wo sie die unterschiedlichen, spezifischen Oberflächeneigenschaften der Zellen bedingen.
Die Zahl möglicher Polypeptide hängt von der Zahl der Gene ab, die in einer Zelle aktiv sind, denn die Bildung einer Polypeptidkette wird durch die genetische Information codiert. Aufgrund der unterschiedlichen Reaktivität von Aminosäureresten in Proteinen entstehen spezifische dreidimensionale Strukturen, deren wichtigste Funktion die Katalyse bestimmter Reaktionen ist.
Nukleinsäuren schließlich sind als Träger genetischer Information bekannt. Für eine Informationsspeicherung und -vermehrung müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Einmal muß der Träger (das Polymer) aus unterschiedlichen Monomeren in determinierbarer Reihenfolge bestehen. Diese Bedingung erfüllen sowohl die Nukleinsäuren als auch die Proteine, nicht jedoch die Polysaccharide. Zum anderen muß das Molekül zur identischen Reduplikation (Replikation) befähigt sein, und diese Bedingung wird nur von den Nukleinsäuren erfüllt.
Umfangreiches Bildmaterial: Molekülmodelle und Atomkoordinaten von Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten, Aminosäuren, Nukleotiden, sowie von Molekülkomplexen findet man auch auf dem Server des Instituts für molekulare Biotechnologie Jena (The Image Library of Biological Macromolecules, The RNA World u. a.):