Твёрдые элементы тела человека включают три типа соединений – белки, углеводы и жиры. Все они являются органическими соединениями, т. е. содержат атомы углерода, связанные между собой в цепочки или кольца. В природе они находятся только в живых организмах. Белки являются главными структурными компонентами  клеток кожи и мышц. Углеводы и жиры служат основными источниками энергии. Простые неорганические молекулы в организме включают в себя такие известные соединения, как хлорид натрия (обычная соль), фторид калия, входящий в состав зубной пасты, и хлористоводородную (соляную) кислоту.

Человеческому организму для своей жизнедеятельности необходима энергия. Всю энергию мы получаем с пищей. При сгорании угля происходит быстрое соединение его с кислородом и интенсивное выделение энергии в форме тепла. В организме топливо в виде пищи соединяется с кислородом воздуха значительно медленнее, и количество выделяемой энергии не достаточно для возгорания. Чтобы достигнуть клеток, пища должна быть расщеплена на молекулы, которые способны проходить через стенки кишечника, циркулировать с кровью и проникать через мембраны в клетки. В процессе пищеварения протекают биохимические реакции, в результате белки расщепляются на аминокислоты, углеводы на сахара, а жиры – на глицерин и так называемые жирные кислоты. Кислород в клетки переносится из лёгких посредством красных кровяных телец при помощи железосодержащего пигмента – гемоглобина.

Биохимические реакции, расщепляющие сложные молекулы на простые, называются катаболическими. Реакции синтеза сложных молекул, таких как жиры, называются анаболическими. Они образуют метаболизм – совокупность химических процессов в организме.

С пищей мы получаем питательные вещества, которые являются сырьём для метаболизма. В клетке питательные вещества медленно соединяются с кислородом и постепенно высвобождают свою энергию. Грамм белка или углевода в конечном итоге даёт 4,1 килокалории энергии, жира – 9,2 килокалорий. В среднем подростку необходимо около 3300 килокалорий в день, из которых 3000 идут на выделение тепла, а оставшиеся 300 – на другие процессы жизнедеятельности. Тепло, распространяющееся по организму с кровью, затрачивается на поддержание постоянной температуры тела (около 37°С).

Все метаболические реакции протекают с участием специальных белков – ферментов (энзимов). Существует более 1000 различных ферментов, каждый из которых катализирует (ускоряет) только определённый тип реакций. Например, один фермент обеспечивает разложение углевода сахарозы (обычный сахар) на глюкозу и фруктозу. Фермент не изменяется в процессе реакции и может использоваться снова. В процессе пищеварения одна молекула фермента обеспечивает протекание реакции с частотой 100 000 раз в секунду. Ферменты работают только при определённых условиях, одно из которых – температура около 37°С. Некоторые ферменты состоят не только из белков. Они содержат другие соединения и называются коферментами. Часто витамины, содержащиеся в пище, действуют как коферменты. Витамины необходимы для нормального роста и для противодействия инфекциям, однако они не производятся внутри организма, а поступают извне.

Большинство клеточных химических реакций протекают в несколько стадий, образуя так называемый путь метаболизма. Например, реакция глюкозы с кислородом протекает примерно в 30 этапов. В результате выделяется энергия и образуются углекислый газ и вода. Если бы вся энергия высвободилась сразу, то клетка перегрелась бы и погибла. Поэтому в клетке энергия выделяется малыми порциями и сразу используется для образования адренозин трифосфата (АТФ). Процесс получения энергии из питательных веществ называется катаболизом. Синтез белков или других соединений с расходом клетки АТФ называется анаболизмом.

Во внутриклеточных реакциях расходуется больше АТФ, чем производится. Вот почему для пополнения запасов энергии мы вынуждены питаться. Наиболее важные энергопотребляющие реакции связаны с синтезом белков. Большинство белков необходимы для производства новых клеток. Например, у клеток кожи и крови продолжительность жизни составляет всего несколько недель или месяцев. Поэтому в клетке каждую минуту синтезируется около 3500 белков.

То, что клетка может обеспечить проведение сложных синтетических реакций, тем удивительнее, что в ней, казалось бы, для этого нет условий. Нет ни высоких температур и давлений, ни сильнокислой или сильнощелочной среды. Почти всё, что нужно клетке – это наличие катализаторов-ферментов и энергия АТФ.

Синтез молекул белков значительно сложнее, чем синтез жиров или углеводов. Молекула каждого белка состоит из 22 типов аминокислот, которые соединены друг с другом в цепочки по типу «голова-хвост» в разной последовательности. Из 22 аминокислот только 14 образуются в нашем организме. Остальные восемь он должен получить с определённым типом пищи.

Молекула белка может состоять из нескольких сотен молекул аминокислот. Так, молекула дыхательного белка крови (гемоглобина) состоит из 574 аминокислот.

Для синтеза многих тысяч различных белков с уникальной последовательностью аминокислот организму требуется ещё один тип биохимических соединений – нуклеиновые кислоты. Двумя основными их типами являются дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Каждая из этих кислот состоит из длинной цепи молекул сахара с присоединённым нуклеотидом (кольцом из атомов углерода и азота. ДНК существует в виде двух перекрученных спиралей, со