生物能量學是生物化學和細胞生物學的一個領域，涉及通過生命系統的能量流動。這是一個活躍的生物學研究領域，包括研究生物體中的能量轉化，研究數千種不同的細胞過程，例如細胞呼吸和導致生產和利用的許多其他代謝和酶促過程三磷酸腺苷(ATP)分子等形式的能量。也就是說，生物能量學的目標是描述生物體如何獲取和轉換能量以進行生物工作。因此，代謝途徑的研究對生物能量學至關重要。

生物能學是生物化學的一部分，它涉及在生物有機體中發現的分子中化學鍵的形成和斷裂所涉及的能量。它也可以定義為研究生物體內的能量關系以及能量轉換和轉導。從各種代謝途徑中獲取能量的能力是所有包含地球科學的生物體的屬性。生長、發育、合成代謝和分解代謝是生物有機體研究中的一些核心過程，因為能量的作用是這些生物過程的基礎.生命依賴于能量轉換；由于活組織/細胞與外部環境之間的能量交換，活生物體得以生存。一些生物體，例如自養生物，可以從陽光中獲取能量（通過光合作用），而無需消耗營養并將其分解。其他生物，如異養生物，必須從食物中攝取營養，才能通過在糖酵解和檸檬酸循環等代謝過程中分解營養中的化學鍵來維持能量。重要的是，作為熱力學xxx定律的直接結果，自養生物和異養生物參與了一個普遍的代謝網絡——通過食用自養生物（植物），異養生物利用植物在光合作用過程中最初轉化的能量。

在活的有機體中，化學鍵被破壞并作為能量交換和轉化的一部分。當弱鍵斷裂并形成更強的鍵時，能量可用于做功（例如機械功）或其他過程（例如生長中的化學合成和合成代謝過程）。更強鍵的產生允許釋放可用能量。

三磷酸腺苷（ATP）是生物體的主要“能量貨幣”；代謝和分解代謝過程的目標是從可用的起始材料（來自環境）合成ATP，并通過在生物過程中利用它來分解ATP（成二磷酸腺苷(ADP)和無機磷酸鹽）。在細胞中，ATP與ADP濃度的比率被稱為細胞的“能量電荷”。一個細胞可以使用這種能量電荷來傳遞有關細胞需求的信息；如果可用的ATP多于ADP，則細胞可以使用ATP工作，但如果可用的ADP多于ATP，則細胞必須通過氧化磷酸化合成ATP。

生物體從能源產生ATP，主要是陽光或O2，??主要通過氧化磷酸化。與ATP水解（被水分解）為二磷酸腺苷和無機磷酸鹽時形成的更強的鍵相比，ATP的末端磷酸鍵相對較弱。這里是熱力學上有利的水解自由能導致能量釋放；末端磷酸基團和ATP分子其余部分之間的磷酸酐鍵本身不包含這種能量。生物體的ATP儲備被用作電池，將能量儲存在細胞中。來自這種分子鍵重排的化學能的利用為每個生物有機體中的生物過程提供動力。

活的有機體從有機和無機材料中獲取能量；即ATP可以由多種生化前體合成。例如，巖石營養生物可以氧化亞硝酸鹽等礦物質或硫的形式，如元素硫、亞硫酸鹽和硫化氫，以產生ATP。在光合作用中，自養生物利用光能產生ATP，而異養生物則必須消耗有機化合物，主要包括碳水化合物、脂肪和蛋白質。生物體實際獲得的能量低于食物燃燒時釋放的量；在消化、新陳代謝和產熱方面有損失。

生物體攝入的環境材料通常與氧氣結合釋放能量，盡管一些也可以被各種生物體厭氧氧化。與將二氧化碳和水結合在一起的化學鍵相比，將營養分子結合在一起的鍵，尤其是將游離氧分子結合在一起的結合相對較弱。這些材料的利用是一種緩慢燃燒的形式因為營養物質與氧氣發生反應（這些物質被氧化得很慢，以至于生物體實際上不會產生火）。氧化釋放能量，因為已經形成了更強的鍵（水和二氧化碳中的鍵）。這種凈能量可以演變為熱量，有機體可以將其用于其他目的，例如破壞其他鍵以進行生存所需的化學反應。

• exergonic反應是一種釋放能量的自發化學反應。它在熱力學上受到青睞，以ΔG（吉布斯自由能）的負值作為索引。在反應過程中，需要輸入能量，這種活化能將反應物從穩定狀態驅動到能量高度不穩定的過渡狀態，再到能量較低的更穩定狀態（參見：反應坐標）。反應物通常是復雜的分子，它們被分解成更簡單的產物。整個反應通常是分解代謝的。能量的釋放（特別是吉布斯自由能)為負（即ΔG<0），因為反應物的能量高于產物的能量。
• endergonic反應是一種消耗能量的合成代謝化學反應。它與exergonic反應相反。它具有正的ΔG，例如因為ΔH>0，這意味著破壞反應物的鍵所需的能量比產物提供的能量要多，即產物的鍵比反應物的鍵弱。因此，吸能反應在熱力學上是不利的，并且不會在恒溫下自行發生。此外，吸能反應通常是合成代謝的。

反應中獲得或損失的自由能(ΔG)可計算如下：ΔG=ΔH-TΔS其中ΔG=吉布斯自由能變化，ΔH=焓變，T=溫度（以開氏為單位）,和ΔS=熵變。

• 糖酵解是將葡萄糖分解成丙酮酸的過程，在此過程中產生兩分子ATP（每1分子葡萄糖）。當細胞具有比ADP更高濃度的ATP（即具有高能量電荷）時，細胞不能進行糖酵解，從可用的葡萄糖中釋放能量來進行生物工作。丙酮酸是糖酵解的一種產物，可以根據細胞的需要穿梭到其他代謝途徑（糖異生等）中。此外，糖酵解產生NADH（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）形式的還原當量，最終將用于向電子傳遞鏈提供電子。
• 糖異生與糖酵解相反；當細胞的能量電荷較低時（ADP的濃度高于ATP的濃度），細胞必須從蛋白質、氨基酸、脂肪、丙酮酸等含碳生物分子中合成葡萄糖。例如，蛋白質可以分解成氨基酸，這些更簡單的碳骨架用于構建/合成葡萄糖。
• 檸檬酸循環是一個細胞呼吸過程，其中由丙酮酸脫氫酶合成的乙酰輔酶A首先與草酰乙酸反應生成檸檬酸。其余八個反應產生其他含碳代謝物。這些代謝物依次被氧化，氧化的自由能以還原型輔酶FADH2和NADH的形式保存下來。這些還原的電子載體在將電子轉移到電子傳輸鏈時可以被重新氧化。
• 酮癥是一種代謝過程，其中酮體被細胞用作能量（而不是使用葡萄糖）。當葡萄糖水平低時，細胞通常會轉向酮癥作為能量來源；例如在饑餓期間。

• 氧化磷酸化是儲存在相對較弱的O2雙鍵中的能量在電子傳輸鏈中以受控方式釋放的過程。NADPH、FADH2和NADH等還原當量可用于為電子傳遞鏈復合物中發生的一系列氧化還原反應提供電子。這些氧化還原反應發生在位于線粒體膜內的酶復合物中。這些氧化還原反應將電子“向下”轉移到與質子動力耦合的電子傳輸鏈中.線粒體基質和內膜空間之間的質子濃度差異用于通過ATP合酶驅動ATP合成。
• 光合作用是另一個主要的生物能過程，是植物使用的代謝途徑，其中太陽能用于從二氧化碳和水中合成葡萄糖。該反應發生在葉綠體中。葡萄糖合成后，植物細胞可以進行光磷酸化產生ATP。人類維生素D的產生是導致ATP產生的另一種光合作用形式。

1960年8月，RobertK.Crane首次展示了他發現的鈉-葡萄糖協同轉運是腸道葡萄糖吸收的機制。Crane對協同轉運的發現是生物學中xxx次提出通量耦合，并且是20世紀有關碳水化合物吸收的最重要事件。

生物能學的主要成就之一是PeterD.Mitchell的化學滲透理論，即水溶液中的質子如何在細胞器（如線粒體）中產生ATP發揮作用。這項工作為米切爾贏得了1978年的諾貝爾化學獎。首先了解ATP的其他細胞來源，例如糖酵解，但這種將酶活性直接耦合到ATP產生的過程并不是大多數細胞中有用化學能的主要來源。化學滲透偶聯是大多數細胞的主要能量產生過程，被用于葉綠體除了線粒體外，還有幾種單細胞生物。

能量穩態是生命系統中能量平衡的穩態控制——通過食物消耗獲得的能量與能量消耗之間的差異。