Unit pembangun semua karbohidrat adalah monosakarida. Monosakarida dapat diartikan sebuah (mono-) unit gula (saccharide). Monosakarida adalah karbohidrat paling sederhana karena monosakarida tidak dapat lagi dihidrolisis menjadi gula yang lebih sederhana. Sifat monosakarida adalah larut di dalam air, berwarna putih, padat kristalin, dan berasa manis. Kebanyakan monosakarida disintesis dari senyawa sederhana pada proses yang dinamakan glukoneogenesis. Monosakarida lainnya dihasilkan melalui fotosintesis pada tumbuh-tumbuhan dan bakteri tertentu. Monosakarida juga merupakan komponen asam nukleat dan senyawa yang penting dari lipid kompleks. Contoh monosakarida adalah glukosa, fruktosa, galaktosa, dan ribosa. Fruktosa dikenal juga sebagai gula buah dan merupakan gula yang paling manis, sedangkan glukosa merupakan gula yang paling penting dalam tubuh manusia. Glukosa merupakan sumber energi utama otak dan sistem saraf dan dapat digunakan oleh jaringan lainnya. Kadar glukosa normal di dalam darah kita adalah 100-120 mg/100 mL darah. Galaktosa terikat glukosa membentuk laktosa. Laktosa adalah disakarida yang terdapat pada susu.
Secara struktur kimia, monosakarida adalah polihidroksi aldehid atau polihidroksi keton. Monosakarida dapat dikelompokkan berdasarkan tipe gugus karbonilnya dan jumlah atom karbonnya. Jika gugus karbonil monosakarida sebuah aldehid maka dinamakan aldosa. Jika gugus karbonil monosakarida sebuah keton, maka dinamakan ketosa. Aldosa dengan tiga, empat, lima, enam dan tujuh atom karbon berturut-turut dinamakan aldotriosa, aldotetrosa, aldopentosa, aldohexosa dan aldoheptosa. Ketosa dengan tiga, empat, lima, enam dan tujuh atom karbon berturut-turut dinamakan ketotriosa, ketotetrosa, ketopentosa, ketohexosa dan ketoheptosa. Monosakarida paling sederhana mengandung tiga-karbon. Gliseraldehid adalah sebuah aldotriosa, sedangkan dihydroxyaceton adalah sebuah ketotriosa. Gula dengan lima karbon yaitu ribosa terdapat pada RNA dan deoxyribosa terdapat pada DNA. Gula dengan empat dan tujuh karbon memainkan peranan pada fotosintesa dan jalur lainnya. Senyawa satu atau dua-karbon tidak mempunyai sifat-sifat khusus monosakarida.
Kebanyakan monosakarida merupakan senyawa kiral. Gliseraldehid adalah kiral karena karbon sentralnya (C-2) mempunyai keempat gugus yang terikat berbeda, tetapi dihidroksiaseton suatu triosa ketonik atau ketotriosa adalah akiral. Molekul kiral adalah optik aktif. Molekul tersebut memutar cahaya terpolarisasi. Tanda D dan L adalah isomer berdasarkan sifat optiknya. Rotasi ke kanan ditandai dengan D (dextrorotatory), sedangkan rotasi ke kiri ditandai dengan L (levorotatory). Struktur isomer molekul dalam bentuk D dan L disebut proyeksi Fischer.
Monosakarida bentuk enantiomer D disintesa di dalam sel hidup. Monosakarida yang paling melimpah di alam adalah Dglukosa, yang kadang-kadang dinamakan dextrose. Monosakarida lainnya termasuk D-glyceraldehyde, D-ribosa, D-manosa dan Dgalactosa adalah komponen penting molekul biologi yang lebih besar. Gula dengan sifat optik D lebih melimpah dibanding L. Pada dua gambar berikut secara berurutan ditunjukkan struktur monosakarida tiga sampai enam karbon aldosa dan ketosa.
Struktur pada kedua gambar ditulis sebagai molekul berantai lurus/terbuka. Pada kenyataannya dalam larutan berair, semua monosakarida dengan lima atau lebih atom karbon dominan sebagai struktur siklik. Stuktur siklik terbentuk karena gugus aldehid atau keton (gugus karbonil) membentuk sebuah ikatan kovalen dengan oksigen dari gugus hidroksi bebas pada rantai terbuka membentuk turunan yang dinamakan hemiacetal atau hemiketal.
Pembentukan hemiacetal atau hemiketal pada monosakarida siklik menghasilkan atom karbon asimetri (karbon kiral) tambahan. Atom karbon kiral tambahan yang dihasilkan pada reaksi siklisasi dinamakan karbon anomerik. Dengan demikian, gugus OH pada karbon anomerik dapat berada dalam dua bentuk stereoisomer yaitu α atau β. Sebagai contoh D-glukosa berada dalam larutan sebagai hemiacetal intramolekul yang mana gugus hidroksi bebas pada C-5 bereaksi dengan aldehid pada C-1, dimana β menunjukkan gugus hidroksi pada sisi yang berlawanan (di atas), sedangkan α. menunjukkan ke sisi bawah. Senyawa siklik (cincin) enam-karbon dinamakan piranosa yang analog dengan pyran, sedangkan senyawa siklik lima-karbon dinamakan furanosa yang analog dengan furan. Bentuk siklik glukosa dan fruktosa dengan cincin enam dan lima dikenal berturut-turut sebagai glukopiranosa dan fruktofuranosa. Penggambaran cincin pada gambar ini dinamakan projeksi Haworth. Gambar pertama di bawah ini merupakan siklisasi dari D-Glukosa membentuk α-D-Glucopyranose dan β-D-Glucopyranose sedangkan gambar berikutnya menunjukkan siklisasi D-fruktosa membentuk β-D-fructofuranose.
Dua anomer D-glukosa sebagai pasangan diastereomer mempunyai sifat fisika dan kimia yang berbeda. Sebagai contoh, nilai rotasi optikal spesifik, [α]20D, untuk α-D-Glucopyranose dan β-DGlucopyranose berturut-turut adalah +112,2º dan +18,7º. Ketika salah satu senyawa ini dilarutkan di dalam air, rotasi optikal spesifik larutan berubah lambat sampai mencapai nilai kesetimbangan [α]20D = +52,7º. Fenomena ini dikenal sebagai mutarotasi. Pada glukosa mutarotasi hasil dari pembentukan campuran kesetimbangan terdiri dari 63,6% β anomer dan 36,4% α anomer. Interkonversi antara anomer ini melalui bentuk linear glukosa. Karena bentuk linear monosakarida ini secara normalnya hanya dalam hitungan menit, maka karbohidrat ini akurat digambarkan sebagai polihidroksi hemiasetal atau polihidroksi hemiketal siklik.
Pada larutan, aldosa dan ketosa membentuk struktur cincin dengan kesetimbangan variasi siklik α dan β serta bentuk rantai terbuka. Pada suhu 31ºC, D-glukosa berada dalam campuran kesetimbangan sekitar 64% β-D-glucopyranose dan 36% α-Dglucopyranose dengan variasi kecil furanosa dan bentuk rantai terbuka (gambar atas). D-ribosa berada sebagai campuran 58,5% β-Dribopyranose, 21,5% α-D-ribopyranose, 13,5% β-D-ribofuranose dan 6,5% α-D-ribofuranose dengan fraksi kecil bentuk terbuka. Kelimpahan relatif variasi bentuk monosakarida pada kesetimbangan merefleksikan stabilitas relatif dari setiap struktur. Meskipun D-ribosa yang tidak tersubsitusi paling stabil sebagai βpyranose, strukturnya dalam nukleotida adalah sebagai bentuk βfuranose.
