Bioenergetik ialah bahagian biokimia yang berkaitan dengan tenaga yang terlibat dalam membuat dan memecahkan ikatan kimia dalam molekul yang terdapat dalam organisma biologi.[5] Ia juga boleh ditakrifkan sebagai kajian tentang hubungan tenaga dan transformasi tenaga dan transduksi dalam organisma hidup.[6] Keupayaan untuk memanfaatkan tenaga daripada pelbagai laluan metabolik adalah hak milik semua organisma hidup. Pertumbuhan, perkembangan, anabolisme dan katabolisme adalah beberapa proses utama dalam kajian organisma biologi, kerana peranan tenaga adalah asas kepada proses biologi tersebut.[7] Kehidupan bergantung kepada perubahan tenaga; organisma hidup bertahan kerana pertukaran tenaga antara tisu/sel hidup dan persekitaran luar. Sesetengah organisma, seperti autotrof, boleh memperoleh tenaga daripada cahaya matahari (melalui fotosintesis) tanpa perlu mengambil nutrien dan memecahkannya.[8] Organisma lain, seperti heterotrof, mesti mengambil nutrien daripada makanan untuk dapat mengekalkan tenaga dengan memecahkan ikatan kimia dalam nutrien semasa proses metabolik seperti glikolisis dan kitaran asid sitrik. Satu hal yang penting, sebagai akibat langsung daripada hukum termodinamik pertama, autotrof dan heterotrof mengambil bahagian dalam rangkaian metabolik sejagat—dengan memakan autotrof (tumbuhan), heterotrof memanfaatkan tenaga yang pada mulanya diubah oleh tumbuhan semasa fotosintesis.[9]

Dalam organisma hidup, ikatan kimia dipecahkan dan dibuat sebagai sebahagian daripada pertukaran dan transformasi tenaga. Tenaga tersedia untuk kerja (seperti kerja mekanikal) atau untuk proses lain (seperti sintesis kimia dan proses anabolik dalam pertumbuhan), apabila ikatan lemah dipecahkan dan ikatan yang lebih kuat dibuat. Penghasilan ikatan yang lebih kuat membolehkan pembebasan tenaga yang boleh digunakan.

Adenosin trifosfat (ATP) ialah "mata wang tenaga" utama organisma; matlamat proses metabolik dan katabolik adalah untuk mensintesis ATP daripada bahan permulaan yang tersedia (daripada persekitaran), dan untuk memecahkan ATP (kepada adenosin difosfat (ADP) dan fosfat bukan organik) melalui proses biologi.[4] Dalam sel, nisbah kepekatan ATP kepada ADP dikenali sebagai "cas tenaga" sel. Sel boleh menggunakan caj tenaga ini untuk menyampaikan maklumat tentang keperluan sel; jika terdapat lebih ATP daripada ADP, sel boleh menggunakan ATP untuk melakukan kerja, tetapi jika terdapat lebih ADP daripada ATP, sel mesti mensintesis ATP melalui fosforilasi oksidatif.[5]

Organisma hidup menghasilkan ATP daripada sumber tenaga melalui fosforilasi oksidatif. Ikatan fosfat terminal ATP agak lemah berbanding dengan ikatan lebih kuat yang terbentuk apabila ATP dihidrolisiskan (dipecahkan oleh air) kepada adenosina difosfat dan fosfat bukan organik. Ini ialah tenaga bebas hidrolisis yang mungkin berdasarkan termodinamik yang menghasilkan pembebasan tenaga; ikatan fosfoanhidrida antara kumpulan fosfat terminal dan seluruh molekul ATP tidak sendiri mengandungi tenaga ini.[10] Stok simpanan ATP organisma digunakan sebagai bateri untuk menyimpan tenaga dalam sel.[11] Penggunaan tenaga kimia daripada penyusunan semula ikatan molekul tersebut menguatkan proses biologi dalam setiap organisma biologi.

Organisma hidup memperoleh tenaga daripada bahan organik dan bukan organik; iaitu ATP boleh disintesis daripada pelbagai prekursor biokimia. Contohnya, litotrof boleh mengoksidakan mineral seperti nitrat atau bentuk sulfur, seperti unsur sulfur, sulfit dan hidrogen sulfida untuk menghasilkan ATP. Dalam fotosintesis, autotrof menghasilkan ATP menggunakan tenaga cahaya, manakala heterotrof mesti menggunakan sebatian organik, kebanyakannya termasuk karbohidrat, lemak, dan protein. Jumlah tenaga yang sebenarnya diperolehi oleh organisma adalah lebih rendah daripada jumlah yang terdapat dalam makanan; terdapat kerugian dalam pencernaan, metabolisme, dan termogenesis.[12]

Bahan persekitaran yang diambil oleh organisma biasanya digabungkan dengan oksigen untuk membebaskan tenaga, walaupun sesetengah nutrien juga boleh dioksidakan secara anaerobik oleh pelbagai organisma. Penggunaan bahan-bahan ini adalah satu bentuk pembakaran perlahan kerana nutrien bertindak balas dengan oksigen (bahan-bahan dioksidakan dengan cukup perlahan sehingga organisma tidak menghasilkan api). Pengoksidaan membebaskan tenaga yang mungkin berkembang sebagai haba atau digunakan oleh organisma untuk tujuan lain seperti memecahkan ikatan kimia.