Algunas enzimas ayudan a descomponer grandes moléculas de nutrientes, como proteínas, grasas e hidratos de carbono, en moléculas más pequeñas. Este proceso se produce durante la digestión de los alimentos en el estómago y los intestinos de los animales. Otras enzimas guían las moléculas más pequeñas y descompuestas a través de la pared intestinal hasta el torrente sanguíneo. Otras enzimas promueven la formación de moléculas grandes y complejas a partir de las pequeñas y simples para producir componentes celulares. Las enzimas también son responsables de otras muchas funciones, como el almacenamiento y la liberación de energía, el curso de la reproducción, los procesos de respiración y la visión. Son indispensables para la vida.

Cada enzima es capaz de promover un solo tipo de reacción química. Los compuestos sobre los que actúa la enzima se denominan sustratos. Las enzimas operan en sistemas metabólicos estrechamente organizados llamados vías. Un fenómeno biológico aparentemente sencillo -la contracción de un músculo, por ejemplo, o la transmisión de un impulso nervioso- implica en realidad un gran número de pasos químicos en los que uno o más compuestos químicos (sustratos) se convierten en sustancias denominadas productos; el producto de un paso de una vía metabólica sirve como sustrato para el paso siguiente de la vía.

El papel de las enzimas en las vías metabólicas puede ilustrarse mediante un diagrama. El compuesto químico representado por A (véase el diagrama siguiente) se convierte en el producto E en una serie de pasos catalizados por enzimas, en los que se forman sucesivamente los compuestos intermedios representados por B, C y D. Éstos actúan como sustratos para las enzimas representadas por 2, 3 y 4. El compuesto A también puede convertirse mediante otra serie de pasos, algunos de los cuales son los mismos que los de la vía para la formación de E, en productos representados por G y H.

Las letras representan compuestos químicos; los números representan enzimas que catalizan reacciones individuales. Las alturas relativas representan la energía termodinámica de los compuestos (por ejemplo, el compuesto A es más energético que el B, el B más energético que el C). Los compuestos A, B, etc., cambian muy lentamente en ausencia de un catalizador, pero lo hacen rápidamente en presencia de los catalizadores 1, 2, 3, etc.

El papel regulador de las enzimas en las vías metabólicas puede aclararse utilizando una simple analogía: la existente entre los compuestos, representados por letras en el diagrama, y una serie de depósitos de agua conectados en una pendiente. Del mismo modo, las enzimas representadas por los números son análogas a las válvulas del sistema de depósitos. Las válvulas controlan el flujo de agua en el depósito; es decir, si sólo las válvulas 1, 2, 3 y 4 están abiertas, el agua de A fluye sólo hacia E, pero si las válvulas 1, 2, 5 y 6 están abiertas, el agua de A fluye hacia G. De forma similar, si las enzimas 1, 2, 3 y 4 de la vía metabólica están activas, se forma el producto E, y si las enzimas 1, 2, 5 y 6 están activas, se forma el producto G. Por lo tanto, la actividad o la falta de actividad de las enzimas de la vía determina el destino del compuesto A; es decir, permanece inalterado o se convierte en uno o más productos. Además, si se forman productos, la actividad de las enzimas 3 y 4 en relación con la de las enzimas 5 y 6 determina la cantidad de producto E formado en comparación con el producto G.

Tanto el flujo de agua como la actividad de las enzimas obedecen a las leyes de la termodinámica; por lo tanto, el agua del depósito F no puede fluir libremente hacia H abriendo la válvula 7, porque el agua no puede fluir hacia arriba. Sin embargo, si las válvulas 1, 2, 5 y 7 están abiertas, el agua fluye de F a H, porque la energía conservada durante el flujo descendente del agua a través de las válvulas 1, 2 y 5 es suficiente para permitirle subir a través de la válvula 7. De forma similar, las enzimas de la vía metabólica no pueden convertir el compuesto F directamente en H a menos que haya energía disponible; las enzimas son capaces de utilizar la energía de las reacciones que conservan energía para catalizar las reacciones que requieren energía. Durante la oxidación catalizada por enzimas de los carbohidratos a dióxido de carbono y agua, la energía se conserva en forma de un compuesto rico en energía, el trifosfato de adenosina (ATP). La energía del ATP se utiliza durante un proceso que consume energía, como la contracción muscular catalizada por enzimas.

Debido a que las necesidades de las células y los organismos varían, no sólo hay que regular la actividad sino también la síntesis de las enzimas; por ejemplo, las enzimas responsables de la actividad muscular de un músculo de la pierna deben activarse e inhibirse en los momentos adecuados. Algunas células no necesitan ciertas enzimas; una célula hepática, por ejemplo, no necesita una enzima muscular. Una bacteria no necesita enzimas para metabolizar sustancias que no están presentes en su medio de crecimiento. Por lo tanto, algunas enzimas no se forman en determinadas células, otras se sintetizan sólo cuando son necesarias y otras se encuentran en todas las células. La formación y la actividad de las enzimas están reguladas no sólo por mecanismos genéticos, sino también por secreciones orgánicas (hormonas) de las glándulas endocrinas y por impulsos nerviosos. Las moléculas pequeñas también desempeñan un papel importante (véase más adelante Flexibilidad de las enzimas y control alostérico).

Si una enzima es defectuosa en algún aspecto, puede producirse una enfermedad. Las enzimas representadas por los números 1 a 4 en el diagrama deben funcionar durante la conversión de la sustancia de partida A en el producto E. Si un paso se bloquea porque una enzima es incapaz de funcionar, el producto E puede no formarse; si E es necesario para alguna función vital, se produce la enfermedad. Muchas enfermedades y afecciones hereditarias del ser humano son consecuencia de la deficiencia de una enzima. Algunas de ellas se enumeran en la tabla. El albinismo, por ejemplo, es el resultado de una falta hereditaria de la capacidad de sintetizar la enzima tirosinasa, que cataliza un paso en la vía por la que se forma el pigmento del color del pelo y de los ojos.