细胞中的生物大分子是构成生命的基础物质，主要包括蛋白质、核酸、多糖三大类。蛋白质由氨基酸通过脱水缩合形成，其结构多样性源于氨基酸种类、数目、排列顺序及空间结构差异，承担催化、运输、免疫等多种功能。核酸分为DNA和RNA，由核苷酸组成，负责储存遗传信息并控制蛋白质合成。2024年诺贝尔生理学或医学奖、化学奖颁给了在RNA和蛋白质方面作出开拓性贡献的科学家 。
糖类由C、H、O元素构成，分为单糖、二糖和多糖，是生物体主要能量来源，并参与细胞识别与免疫调节。脂质包含脂肪、类脂和固醇，其中脂肪储存能量，磷脂构成生物膜，固醇参与代谢调节。生物大分子研究是极微观研究领域，重点实验室主要布局生物大分子精密观测技术、生物大分子精确组装原理和生物大分子精准调控设计三方面研究 。在生物大分子体系中，电荷作用、氢键、疏水作用、π–π与阳离子—π等非共价相互作用决定蛋白与核酸如何识别、组装并形成生物分子凝聚体；DNA超螺旋可作为拓扑开关，通过耦合“相互作用网络”与“可扭转聚合物力学”来调控凝聚体尺寸，并赋予阈值响应与记忆特性 。各类大分子可通过特定试剂鉴定：还原糖与斐林试剂反应生成砖红色沉淀；脂肪被苏丹Ⅲ染为橘黄色；蛋白质遇双缩脲试剂呈紫色；淀粉遇碘液显蓝色。这些鉴定方法为研究大分子提供了基础实验依据。
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