碳水化合物是生物聚合物的主要類別，并呈現生物聚合物的最大結構多樣性。早些時候，“碳水化合物"這個名稱最初用于描述字面上是“碳的水合物"的化合物，因為它們通常具有經驗式 Cm(H2O)n，換句話說，氫氧原子比為 2:1（如在水里）。近年來，人們根據飲食中發現的大多數碳水化合物的聚合度和特征對碳水化合物進行了分類。碳水化合物最初可分為三大類：糖類、低聚糖和多糖。同時，根據生理特性，碳水化合物可分為易消化的和不易消化的。

糖類包括單糖、雙糖和多元醇。單糖或單糖是碳水化合物的簡單形式，由一個不能水解成較小碳水化合物的糖單元組成。根據它們是醛還是酮，它們分為兩類：醛糖和酮糖。食物中單糖的例子有葡萄糖、果糖和半乳糖。雙糖是由兩個單糖連接而成的碳水化合物。雙糖與單糖一起被稱為簡單碳水化合物。最常見的單糖是葡萄糖、半乳糖和果糖。由于最大的結構多樣性，含有單糖的多元醇和胺在不同的立體化學陣列中投射功能。

低聚糖分為麥芽低聚糖（α-葡聚糖）和非α-葡聚糖（非消化性低聚糖），是由3個和10個糖基組成的糖類聚合物。與肽和核酸相反，寡糖在無數方向上分支，占據廣闊的三維空間。低聚糖主要通過O-糖苷鍵連接在一起。低聚糖的生物學作用似乎涵蓋了從微不足道到對生物體的發育、生長、功能或生存至關重要的作用。低聚糖是功能性食品成分，具有改善許多食品質量的巨大潛力。此外，這些化合物中的許多都具有有益于消費者健康的特性。

核苷和核苷酸是參與多種細胞過程的內源性化合物，例如DNA和RNA合成，細胞信號傳導，酶調節和代謝。核苷是一種糖胺，由共價連接到糖（核糖或脫氧核糖）但沒有磷酸基的含氮堿組成。在最重要的核苷中，糖是核糖或脫氧核糖，含氮化合物是嘧啶或嘌呤。核苷酸由含氮堿基、糖（核糖或脫氧核糖）和一到三個磷酸基團組成。作為核酸的結構單元，核苷參與遺傳信息的保存、復制和轉錄的分子機制。

核苷和核苷酸類似物是合成的化學修飾化合物，是一類重要的抗病毒的藥物，也用于治療血液系統惡性腫瘤，最近還用于實體瘤。已經開發出核苷（t）ide類似物，以根據攝取和代謝模擬其生理對應物，并被摻入新合成的DNA中，從而導致合成抑制和鏈終止。這種作用具有潛在的治療益處，例如，在抑制癌細胞生長，抑制病毒復制以及其他適應癥方面。

核苷類似物家族由各種嘧啶和嘌呤類似物組成。在嘧啶類似物中，胞嘧啶阿拉伯糖苷廣泛用于治療急性白血病，而 吉西他濱 最近在胰腺癌、乳腺癌和肺癌中顯示出活性。

除了在各種惡性腫瘤和病毒學治療方案中的重要作用外，一些核苷和核苷酸類似物還被用于各種其他適應癥。