Einige Enzyme helfen, große Nährstoffmoleküle wie Proteine, Fette und Kohlenhydrate in kleinere Moleküle zu zerlegen. Dieser Prozess findet bei der Verdauung von Nahrungsmitteln im Magen und Darm von Tieren statt. Andere Enzyme leiten die kleineren, abgebauten Moleküle durch die Darmwand in den Blutkreislauf. Wieder andere Enzyme fördern die Bildung großer, komplexer Moleküle aus den kleinen, einfachen Molekülen, um Zellbestandteile herzustellen. Enzyme sind auch für zahlreiche andere Funktionen verantwortlich, darunter die Speicherung und Freisetzung von Energie, der Ablauf der Fortpflanzung, die Atmungsprozesse und das Sehen. Sie sind für das Leben unentbehrlich.

Jedes Enzym ist nur in der Lage, eine bestimmte Art von chemischer Reaktion auszulösen. Die Verbindungen, auf die das Enzym einwirkt, nennt man Substrate. Enzyme arbeiten in straff organisierten Stoffwechselsystemen, die als Bahnen bezeichnet werden. Ein scheinbar einfaches biologisches Phänomen – zum Beispiel die Kontraktion eines Muskels oder die Übertragung eines Nervenimpulses – umfasst in Wirklichkeit eine große Anzahl chemischer Schritte, bei denen eine oder mehrere chemische Verbindungen (Substrate) in Substanzen umgewandelt werden, die als Produkte bezeichnet werden; das Produkt eines Schrittes in einem Stoffwechselweg dient als Substrat für den nachfolgenden Schritt in dem Weg.

Die Rolle von Enzymen in Stoffwechselwegen kann schematisch dargestellt werden. Die durch A dargestellte chemische Verbindung (siehe Abbildung unten) wird in einer Reihe von enzymkatalysierten Schritten in das Produkt E umgewandelt, wobei nacheinander die durch B, C und D dargestellten Zwischenprodukte gebildet werden. Sie dienen als Substrate für die Enzyme mit den Bezeichnungen 2, 3 und 4. Die Verbindung A kann auch durch eine andere Reihe von Schritten, von denen einige mit denen des Weges zur Bildung von E übereinstimmen, in die Produkte G und H umgewandelt werden.

Die Buchstaben stehen für chemische Verbindungen, die Zahlen für Enzyme, die einzelne Reaktionen katalysieren. Die relativen Höhen stellen die thermodynamische Energie der Verbindungen dar (z.B. Verbindung A ist energiereicher als B, B ist energiereicher als C). Die Verbindungen A, B usw. verändern sich in Abwesenheit eines Katalysators sehr langsam, in Anwesenheit der Katalysatoren 1, 2, 3 usw. jedoch sehr schnell.

Die regulierende Rolle der Enzyme in den Stoffwechselwegen lässt sich durch eine einfache Analogie verdeutlichen: die zwischen den Verbindungen, die in dem Diagramm durch Buchstaben dargestellt sind, und einer Reihe von miteinander verbundenen Wasserreservoirs an einem Hang. In ähnlicher Weise sind die durch die Zahlen dargestellten Enzyme mit den Ventilen des Stauseesystems vergleichbar. Die Ventile steuern den Wasserfluss im Reservoir, d. h. wenn nur die Ventile 1, 2, 3 und 4 geöffnet sind, fließt das Wasser in A nur nach E, sind jedoch die Ventile 1, 2, 5 und 6 geöffnet, fließt das Wasser in A nach G. In ähnlicher Weise wird das Produkt E gebildet, wenn die Enzyme 1, 2, 3 und 4 im Stoffwechselweg aktiv sind, und das Produkt G, wenn die Enzyme 1, 2, 5 und 6 aktiv sind. Die Aktivität oder fehlende Aktivität der Enzyme im Stoffwechselweg bestimmt also den Verbleib der Verbindung A, d. h., sie bleibt entweder unverändert oder wird in ein oder mehrere Produkte umgewandelt. Wenn Produkte gebildet werden, bestimmt außerdem die Aktivität der Enzyme 3 und 4 im Verhältnis zu der der Enzyme 5 und 6 die Menge des gebildeten Produkts E im Vergleich zum Produkt G.

Sowohl der Wasserfluss als auch die Aktivität der Enzyme gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik; daher kann das Wasser im Reservoir F nicht frei nach H fließen, wenn das Ventil 7 geöffnet wird, da Wasser nicht bergauf fließen kann. Wenn jedoch die Ventile 1, 2, 5 und 7 geöffnet sind, fließt das Wasser von F nach H, weil die Energie, die beim Abwärtsfließen des Wassers durch die Ventile 1, 2 und 5 erhalten bleibt, ausreicht, um das Wasser durch Ventil 7 nach oben zu drücken. In ähnlicher Weise können die Enzyme im Stoffwechselweg die Verbindung F nicht direkt in H umwandeln, wenn keine Energie zur Verfügung steht; Enzyme sind in der Lage, Energie aus energiesparenden Reaktionen zu nutzen, um Reaktionen zu katalysieren, die Energie benötigen. Bei der enzymkatalysierten Oxidation von Kohlenhydraten zu Kohlendioxid und Wasser wird Energie in Form einer energiereichen Verbindung, dem Adenosintriphosphat (ATP), konserviert. Die in ATP enthaltene Energie wird bei einem energieverbrauchenden Prozess wie der enzymkatalysierten Muskelkontraktion verbraucht.

Da die Bedürfnisse von Zellen und Organismen unterschiedlich sind, muss nicht nur die Aktivität, sondern auch die Synthese von Enzymen reguliert werden; so müssen z. B. die für die Muskeltätigkeit in einem Beinmuskel verantwortlichen Enzyme zu geeigneten Zeiten aktiviert und gehemmt werden. Manche Zellen brauchen bestimmte Enzyme nicht; eine Leberzelle zum Beispiel braucht kein Muskelenzym. Ein Bakterium braucht keine Enzyme, um Stoffe zu verstoffwechseln, die nicht in seinem Wachstumsmedium vorhanden sind. Einige Enzyme werden daher in bestimmten Zellen nicht gebildet, andere werden nur bei Bedarf synthetisiert, und wieder andere sind in allen Zellen vorhanden. Die Bildung und Aktivität von Enzymen wird nicht nur durch genetische Mechanismen, sondern auch durch organische Sekrete (Hormone) aus endokrinen Drüsen und durch Nervenimpulse gesteuert. Auch kleine Moleküle spielen eine wichtige Rolle (siehe unten: Enzymflexibilität und allosterische Steuerung).

Wenn ein Enzym in irgendeiner Hinsicht defekt ist, kann eine Krankheit auftreten. Die Enzyme, die im Diagramm mit den Nummern 1 bis 4 dargestellt sind, müssen bei der Umwandlung der Ausgangssubstanz A in das Produkt E funktionieren. Ist ein Schritt blockiert, weil ein Enzym nicht funktioniert, kann das Produkt E nicht gebildet werden; ist E für eine lebenswichtige Funktion notwendig, entsteht eine Krankheit. Viele Erbkrankheiten und Leiden des Menschen sind auf einen Mangel an einem Enzym zurückzuführen. Einige von ihnen sind in der Tabelle aufgeführt. Albinismus zum Beispiel resultiert aus einem vererbten Mangel an der Fähigkeit, das Enzym Tyrosinase zu synthetisieren, das einen Schritt in dem Weg katalysiert, über den das Pigment für Haar- und Augenfarbe gebildet wird.