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Eine Zelle stellt ein energetisch offenes System dar. Ständig tauscht sie mit ihrer Umgebung Stoffe und Energie aus. Diesem Austausch liegen entsprechende physikalische Gesetzmäßigkeiten zugrunde. So erklären der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik die energetischen Verhältnisse in biologischen Systemen. Die Gesetze des Fließgleichgewichts gelten für alle biologischen Systeme und leiten sich aus der Nichtgleichgewichts-Thermodynamik her.

* 1818 Salford bei Manchester
† 1889 Sale bei London

Er war ein englischer Naturwissenschaftler, maß das mechanische Wärmeäquivalent und legte damit wesentliche Grundlagen für die Entdeckung des Gesetzes von der Erhaltung der Energie.
Nach ihm ist die heute gebräuchliche Einheit der Energie - das Joule (1 J) benannt.

Durch Fotosynthese in Pflanzen werden aus den anorganischen Molekülen Wasser und Kohlenstoffdioxid organische Substanzen (Traubenzucker) aufgebaut.

Kohlenhydrate sind nicht nur für den Menschen wichtige Energielieferanten. Einfachzucker (Monosaccharide) bilden die Grundbausteine, aus denen alle komplexeren Kohlenhydrate (Zweifachzucker, Vielfachzucker) aufgebaut sind. Aus den vielfältigen Verknüpfungsmöglichkeiten bis hin zur Ketten- und Ringbildung erklärt sich die große Anzahl der Kohlenhydrate mit ihren unterschiedlichen Eigenschaften.

Energie kann viele Zustandsformen haben: Lichtenergie, Wärmeenergie, elektrische Energie oder chemische Energie. Lebende Organismen benötigen zum Aufrechterhalt ihrer Lebensfunktionen chemische Energie. Diese wird durch bestimmte chemische Eigenschaften gespeichert und kann bei Bedarf abgerufen werden, um in Arbeit umgewandelt zu werden. Der wichtigste chemische Energiespeicher der Lebewesen ist ATP (Adenosintriphosphat).

Die Bildung von ATP aus ADP und P erfolgt mit Hilfe des Enzyms ATP-Synthase. Dieses Enzym besteht aus zwei Teilen. Der ${\text{F}}_{\text{0}}\text{-Teil}$ besitzt einen Tunnel, durch den die Protonen wandern. Sie bringen den ${\text{F}}_{\text{1}}\text{-Teil}$, an dem drei aktive Zentren sitzen, zum Rotieren. An diese Zentren lagert sich abwechselnd ADP und P an und reagiert zu ATP. Das Enzym wirkt wie ein Rad. Auf der einen Seite wird ADP und P aufgenommen, auf der anderen ATP entlassen.

Autotrophe Organismen stellen aus energiearmen, anorganischen und körperfremden Stoffen energiereiche, organische und körpereigene Stoffe unter Ausnutzung einer äußeren Energiequelle her. Ausgangsgangsstoff für die Bildung der organischen Stoffe sind die gebildeten Glycerinaldehyd-3-phosphatmoleküle bzw. die Glucosemoleküle aus dem CALVIN-Zyklus. Unter anderem mit Hilfe von Mineralstoffen werden dann Kohlenhydrate, Fette, Eiweiße und andere organische Stoffe hergestellt.
Heterotrophe Organismen nehmen diese organischen Stoffe mit der Nahrung auf und bauen sie im Körper entsprechend ihres Bedarfs unter Ausnutzung derer Energie um. Andere entstehende Produkte, wie z. B. Vitamine oder Ballaststoffe nehmen als Wirk- und Ergänzungsstoffe in der täglichen Nahrung einen wichtigen Platz ein.
Aus dem Glycerinaldehyd-3-phosphat des CALVIN-Zyklus werden über Zwischenprodukte weitere Kohlenhydrate wie Glucose, Saccharose, Cellulose und Stärke gebildet.
Bakterien, die zur Fotosynthese befähigt sind, stellen statt Stärke Glykogen her. Fette bestehen aus Glycerin und Fettsäuren. Die Herstellung von Fettsäuren kann im Cytoplasma, in den Chloroplasten und teilweise im Mitochondrium erfolgen, die anschließend in den Chloroplasten mit Glycerin zu Fetten reagieren. Die Einzelbausteine der Eiweiße (Proteine) sind Aminosäuren.
Pflanzen verwenden Nitrate aus der Luft, über die Knöllchenbakterien fixierten Stickstoff oder direkt aufgenommene Ammonium-Ionen zur Bildung von Aminosäuren. Die entstandenen Aminosäuren können später ineinander umgewandelt werden. Die gebildeten Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße bzw. ihre Bausteine stellen dann die Grundlage für die Synthese anderer organischer Stoffe dar.

Die Kalorimetrie ist ein Verfahren zur Bestimmung von Wärmemengen und Energieumsatz. Damit kann man z. B. den Joule-Gehalt (früher Kalorie: 1 cal = 4,1868 J) von Nahrungsmitteln, die freigesetzte Enthalpie von chemischen Reaktionen oder die frei werdend Energie bei Stoffwechselprozessen von Organismen messen.Die Durchführung erfolgt in einem Kalorimeter oder einer kalorimetrischen Bombe, wobei ein Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Isolierung weitgehend verhindert wird.
Eines der ersten Kalorimeter war das Eiskalorimeter von LAVOISIER und LAPLACE von 1780.

Die beiden Coenzyme ${\text{NAD}}^{\text{+}}$ und FAD übertragen Elektronen aus den Wasserstoffatomen der Glucose auf die Elektronentransportkette zur Energiegewinnung. Dieses Auf- und Abladen der Elektronen wird als Elektronenschaukel bezeichnet.

Neben den Kohlenhydraten dienen auch Proteine und Fette der Energiebereitstellung für den Stoffwechsel der Lebewesen. Fette sind dabei in erster Linie wichtige Energieträger der Nahrung. Pro Masseneinheit liefern sie mehr als doppelt soviel Energie als Proteine und Kohlenhydrate. Proteine liefern dem Organismus Aminosäuren, die für die körpereigene Proteinbiosynthese verwendet werden. Überschüssige Aminosäuren werden unter Energiefreisetzung (zu Glucose) abgebaut.

Zur Erhaltung der Lebensfunktionen benötigt der Körper täglich Energie. Energieträger sind die Nährstoffe der Nahrung. Die meiste Energie ist in Fetten gespeichert.
Der Energiebedarf (Leistungsumsatz) richtet sich nach der körperlichen Betätigung. Durch Bewegungsarmut und zu viel energiereiche Nahrung ist Übergewichtigkeit zum gesundheitlichen Problem in Industriestaaten geworden. Der Körper kann ein Zuviel der energiereichen Nahrung nicht mehr abbauen und speichert es als Reserve. Als Folge bilden sich Fettpolster, deren Abbau einen hohen körperlichen Energieaufwand benötigt. Auch andere Erkrankungen, die sowohl das Essverhalten als auch die beteiligten Organe betreffen, nehmen ständig zu.