La energía está presente en todos los eventos del universo, desde el movimiento de los átomos en el laboratorio hasta las explosiones estelares en el espacio. Existen diferentes formas de energía, como la gravitatoria, nuclear, radiante, calorífica, mecánica, eléctrica y química. Aunque no hay una definición precisa de energía, en la teoría científica moderna se considera como el componente básico del universo. La relación entre la materia y su energía equivalente se expresa en la famosa ecuación de Einstein, E = mc^2, donde la energía total (E) de una partícula en julios (kg m^2/s^2) es igual a la masa (m) de la partícula en kilogramos multiplicada por la velocidad de la luz (c = 3.0 x 10^8 m/s) al cuadrado.

La energía se define generalmente como la capacidad de realizar trabajo, que implica el movimiento de objetos mediante el uso de la fuerza. En las células, el trabajo es realizado por miles de máquinas moleculares que llevan a cabo tareas específicas. Estas máquinas son impulsadas directa o indirectamente por la energía proporcionada por el adenosín trifosfato (ATP). Ejemplos de trabajo en las células incluyen la creación de gradientes de concentración a través de las membranas y la síntesis de biomoléculas. Las proteínas contráctiles, los complejos transportadores y las enzimas son algunos de los tipos más comunes de máquinas moleculares.

La termodinámica es el estudio de las transformaciones energéticas que ocurren durante los cambios físicos y químicos de la materia. Sus principios se utilizan para evaluar el flujo y los intercambios de materia y energía. La bioenergética, una rama de la termodinámica, se enfoca en las transformaciones energéticas en los seres vivos y es especialmente útil para determinar la dirección y la cantidad en que ocurren reacciones bioquímicas específicas. Estas reacciones están influenciadas por tres factores: entalpía (contenido total de calor), entropía (desorden) y energía libre (energía disponible para realizar trabajo químico). La energía libre se deriva de una relación matemática entre la entalpía y la entropía.

La sección comienza introduciendo los conceptos termodinámicos y su relación con las reacciones bioquímicas. Luego se explora la energía libre como una medida de la espontaneidad de estas reacciones. El capítulo concluye con una descripción de la estructura y función del ATP y otros compuestos de alta energía, así como una forma interesante de generación de energía autótrofa que ocurre en el suelo del océano. Las reacciones de oxidación-reducción (redox), que son el mecanismo principal de generación de energía en las células, se abordan en otro capítulo donde se describen sus funciones en el metabolismo.