중합체는 분자생물학의 주된 관심사이지만, 크기가 작은 분자에 의하여 세포 내 모든 과정이 시작된다. 생명체 무게의 75~80%를 차지하는 것은 물, 무기이온 및 분자량이 작은 다양한 유기물이며, 물은 세포 부피의 75%를 차지한다. 물을 비롯한 이런 작은 분자는 세포 내에서 일어나는 에너지 대사 및 세포 내 신호와 같은 반응의 기질로 작용한다. 세포는 이런 작은 분자들을 여러 방법으로 획득한다. 이온, 물 및 분자량이 작은 유기물은 세포 내로 수송되고, 그 밖의 작은 물질들은 세포에서 일련의 화학 반응에 의해 합성된다.
당, 비타민, 아미노산처럼 분자량 이 작은 분자에서도 진화 흔적을 볼 수 있다. 예를 들어, 글리신을 제외한 모든 아미노산은 비대칭 탄소를 갖고 있어 L 형태의 입체이성질체 아미노산만이 단백질 합성에 이용된다. 이와 마찬가지로 세포 내에는 D 형태의 입체이성질체 포도당만이 존재한다. 즉 L 형태의 입체이성질체 포도당은 세포에 존재하지 않는다. 생명체의 진화 초기에 공통 조상 세포는 한 형태의 입체이성질체하고만 반응할 수 있게 진화하였다. 어떻게 이런 선택이 일어났는지 모르지만 굳어졌다.
아데노신삼인산(ATP)은 진화적으로 보존되어 모든 생명체에 존재하는 작은 분자로서 화학적 에너지를 저장한다. ATP에 저장된 에너지는 쉽게 이용되며, 이 에너지는 ATP를 형성한 결합 중에서 2개의 결합에 존재한다. ATP에 존재하는 에너지가 높은 2개의 결합 중 하나가 끊어지면 아데노신이인산(ADP)이 되고 에너지가 방출된다. 방출된 에너지는 단백질 합성 혹은 근수축처럼 에너지가 있어야 하는 생체 반응에 이용된다. 세포는 ATP 합성에 필요한 에너지를 얻기 위하여 음식물을 분해한다. 예를 들어, 당이 CO2와 HO로 분해될 때 당 분자에 내재하였던 화학 에너지는 ATP의 고에너지 결합에 상당 부분 저장된다. 세균, 식물, 동물의 모든 세포는 위에 언급된 방식으로 ATP를 생성한다. 더구나, 식물과 일부의 유기체는 빛을 이용하여, 즉 광합성 방식으로 ATP를 생성한다.
호르몬 및 성장 인자처럼 크기가 작은 분자는 세포 활동을 지시하는 신호로 작용한다. 신경세포도 어떤 크기가 작은 분자를 분비하고 인지하여 서로 신호를 주고받는다. 인체에 강력한 영향을 주는 놀람은 순간적으로 아드레날린이라는 크기가 작은 호르몬이 체 내로 순간적으로 흘러나와 생기는 현상이며 아드레날린은 '싸우거나 또는 멀리 달아나는' 반응을 유도한다.
어떤 크기가 작은 분자가 공유 결합에 의하여 반복적으로 결합하여 중합체를 생성한다. 이런 중합체를 형성한 작은 분자를 단위체라 한다. 세포는 다당류, 단백질, 핵산 등 3종류의 고분자를 생성한다. 예를 들어, 당은 다당류를 만드는 데 사용된 단위체이다. D-포도당의 중합체인 셀룰로스는 식물 세포벽의 성분이며, 글리코겐은 간과 근육에서 포도당의 저장 물질이다. 세포는 고분자를 합성하는 데 사용되는 선구물질인 단위체를 절제된 방식으로 제공한다.
단백질은 세포의 구조를 형성하며 세포 활동의 대부분을 수행한다
세포에서 일하는 기계 역할을 하는 단백질은 세포성 고분자 중에서 가장 큰 비율을 차지하며 다양한 기능을 갖는다. 세포는 20종류의 아미노산을 일렬로 연결하여 단백질을 생성한다. 이렇게 생성된 단백질의 아미노산의 수는 100~1000개이다. 아미노산을 중합하는 과정에서 일렬로 연결된 아미노산의 사슬은 복잡한 형태로 접혀 특이한 3차 구조와 기능을 가진 단백질이 된다. 사람은 아미노산을 섭취한 단백질을 분해하거나 다른 분자로부터 합성하여 얻는다.
단백질은 세포 내에서 다양한 기능을 수행한다. 대부분의 단백질은 화학 반응을 촉진하는 효소이다. 어떤 단백질은 단백질 합성 단계를, 어떤 단백질은 DNA 및 RNA와 같은 고분자 합성을 촉진한다. 세포 골격 단백질은 세포의 구조를 담당하는 성분으로 세포 내 골격을 형성한다. 일부의 단백질은 ATP에 저장된 에너지를 이용하여 염색체 같은 세포 내 구조 심지어는 세포 자체를 움직인다. 어떤 단백질은 이웃한 세포와 함께 결합하거나 세포외 기질을 형성한다. 단백질은 세포의 온도, 이온 농도, 혹은 특성이 변함에 따라 모양이 변하는 센서 역할을 한다. 세포의 원형질막에 박혀있는 단백질은 크기가 작은 다양한 분자 및 이온을 수송한다. 인슐린처럼 어떤 단백질은 호르몬이며, 어떤 단백질은 호르몬과 결합하는 수용체이다. 특정한 단백질과 결합한 수용체는 세포의 특정한 기능을 조절하는 신호를 만든다. 어떤 단백질은 DNA의 특이한 염기 서열에 결합하여 유전자 발현을 조절한다. 실제로, 분자 세포생물학은 특정 세포에서 특정 단백질의 기능을 연구한다.
어떻게 20종류의 아미노산이 위에 언급한 다양한 기능을 수행하는 다양한 종류의 단백질을 만들 수 있는가? 얼핏 보면 이것은 불가능하다. 하지만 만약 400개의 아미노산으로 구성된 단백질이 있다면, 아미노산 조성이 다른 가능한 단백질의 개수는 20^400이다. 심지어 이렇게 생성된 단백질 중에서 기능이 동일하고, 불안정한 것을 제외하더라도 가능한 단백질 수는 천문학적이다.
세포가 기능을 수행하고 유지하는데 얼마나 많은 단백질 분자 수가 필요한가? 간세포 1개를 예를 들어 이 수를 추정해 보자. 간세포는 한 변의 길이가 대략 15㎛인 입방체이므로 부피는 약 3.4 X 10^-9cm^3이다. 세포의 밀도를 1.03 g/ml이라 하면, 세포의 무게는 3.5 X 10^-9g이다. 단백질은 세포 무게의 20% 정도 존재하므로, 세포 내의 전체 단백질의 무게는 7 X 10^-10g이다. 단백질의 평균 분자량은 52,700g/mol이므로 간세포 한 개에 존재하는 단백질 분자 수는 7.9 X 10^9이다. 간세포 한 개에 약 10,000 종류의 단백질이 있다면, 세포 내에 존재하는 한 종류의 단백질 수는 약 1백만 개이다. 실제로는 단백질 종류에 따라 세포에 존재하는 단백질 수가 다르다. 인슐린 수용체처럼 세포 당 20,000개인 단백질이 있는가 하면, 액틴처럼 세포 당단백질 수가 5 X 10^8인 것도 있다. 모든 세포는 세포 기능에 적합하게 각 단백질의 수를 조절한다.