碳水化合物是地球上最丰富的生物分子，在生物体中充当能量来源、结构成分和识别元件。它们由碳、氢和氧组成，通常具有经验式(CH₂O)ₙ。

单糖

单糖是最简单的碳水化合物，不能被水解成更小的糖。它们按碳原子数分类：丙糖(3C)、丁糖(4C)、戊糖(5C)和己糖(6C)。葡萄糖、果糖和半乳糖是重要的己糖，而核糖和脱氧核糖是存在于核酸中的必需戊糖。

单糖由于手性碳原子而呈现立体异构现象。D和L命名法（也用于氨基酸）指的是最高编号手性碳的构型。天然存在的糖主要为D-构型。在溶液中，单糖环化形成半缩醛，通过异头碳产生α和β异头物。

二糖和寡糖

二糖由两个单糖单元通过糖苷键连接而成。重要实例包括蔗糖（葡萄糖-α-1,2-果糖）、乳糖（半乳糖-β-1,4-葡萄糖）和麦芽糖（葡萄糖-α-1,4-葡萄糖）。糖苷键的类型决定了二糖是还原糖还是非还原糖。

寡糖包含三到十个单糖单元。它们通常附着在细胞表面的蛋白质和脂质上，作为识别标志发挥作用。ABO血型抗原是基于寡糖的经典身份标志物。

多糖

多糖是由糖苷键连接的单糖单元聚合物。它们可分为储存多糖和结构多糖。

储存多糖：淀粉是植物中主要的储存多糖，由直链淀粉（线性α-1,4-连接葡萄糖）和支链淀粉（分支α-1,4和α-1,6连接）组成。糖原是动物的对应物，比支链淀粉具有更高的分支度，主要存在于肝脏和肌肉组织中。

结构多糖：纤维素是由β-1,4-连接葡萄糖单元组成的线性聚合物，形成刚性原纤维，为植物细胞壁提供结构支持。几丁质由N-乙酰葡糖胺单元通过β-1,4键连接而成，构成节肢动物的外骨骼。糖胺聚糖如透明质酸和硫酸软骨素是细胞外基质的关键成分。

糖苷键和还原糖

糖苷键形成于一个单糖的异头碳与另一个单糖的羟基之间。根据异头碳的构型，键被指定为α或β。具有游离异头碳的糖可作为还原剂，因此称为还原糖。当两个异头碳都参与糖苷键时（如蔗糖），该二糖为非还原糖。

修饰碳水化合物

碳水化合物可以通过多种方式修饰以改变其性质。磷酸化将糖截留在细胞内并激活其进行代谢。氨基糖如葡糖胺和N-乙酰葡糖胺是糖蛋白和细菌细胞壁的成分。脱氧糖如脱氧核糖和岩藻糖在特定位置缺少羟基，影响其化学反应性和生物学功能。