Sommige enzymen helpen om grote voedingsmoleculen, zoals eiwitten, vetten en koolhydraten, af te breken tot kleinere moleculen. Dit proces vindt plaats tijdens de vertering van voedingsmiddelen in de maag en darmen van dieren. Andere enzymen leiden de kleinere, afgebroken moleculen door de darmwand naar de bloedbaan. Weer andere enzymen bevorderen de vorming van grote, complexe moleculen uit de kleine, eenvoudige moleculen om cellulaire bestanddelen te produceren. Enzymen zijn ook verantwoordelijk voor tal van andere functies, waaronder het opslaan en vrijgeven van energie, het verloop van de voortplanting, de ademhalingsprocessen en het gezichtsvermogen. Zij zijn onmisbaar voor het leven.

Elk enzym is in staat slechts één soort chemische reactie te bevorderen. De verbindingen waarop het enzym werkt, worden substraten genoemd. Enzymen werken in strak georganiseerde metabolische systemen die pathways worden genoemd. Een schijnbaar eenvoudig biologisch verschijnsel – het samentrekken van een spier bijvoorbeeld, of de overdracht van een zenuwimpuls – omvat in werkelijkheid een groot aantal chemische stappen waarbij een of meer chemische verbindingen (substraten) worden omgezet in stoffen die producten worden genoemd; het product van een stap in een metabole route dient als substraat voor de volgende stap in de route.

De rol van enzymen in metabole routes kan schematisch worden geïllustreerd. De chemische verbinding voorgesteld door A (zie onderstaand schema) wordt omgezet in product E in een reeks door enzymen gekatalyseerde stappen, waarbij achtereenvolgens tussenverbindingen worden gevormd, voorgesteld door B, C en D. Zij fungeren als substraten voor de enzymen die worden weergegeven door 2, 3 en 4. Verbinding A kan ook worden omgezet via een andere reeks stappen, waarvan sommige dezelfde zijn als die in de route voor de vorming van E, in producten vertegenwoordigd door G en H.

De letters staan voor chemische verbindingen; de cijfers staan voor enzymen die afzonderlijke reacties katalyseren. De relatieve hoogten geven de thermodynamische energie van de verbindingen weer (bijv. verbinding A is energierijker dan B, B energierijker dan C). Verbindingen A, B, enz. veranderen zeer langzaam in afwezigheid van een katalysator, maar doen dit snel in aanwezigheid van katalysatoren 1, 2, 3, enz.

De regulerende rol van enzymen in metabolische routes kan worden verduidelijkt door gebruik te maken van een eenvoudige analogie: die tussen de verbindingen, voorgesteld door letters in het diagram, en een reeks met elkaar verbonden waterreservoirs op een helling. Op dezelfde manier zijn de enzymen, voorgesteld door de cijfers, analoog aan de kleppen van het reservoirsysteem. De kleppen regelen de waterstroom in het reservoir; dat wil zeggen, als alleen de kleppen 1, 2, 3 en 4 open zijn, stroomt het water in A alleen naar E, maar als de kleppen 1, 2, 5 en 6 open zijn, stroomt het water in A naar G. Op soortgelijke wijze wordt, als de enzymen 1, 2, 3 en 4 in de stofwisselingsroute actief zijn, product E gevormd, en als de enzymen 1, 2, 5 en 6 actief zijn, product G gevormd. De activiteit of het gebrek aan activiteit van de enzymen in de route bepaalt dus het lot van verbinding A; d.w.z. dat zij onveranderd blijft of wordt omgezet in een of meer producten. Bovendien, als er producten worden gevormd, bepaalt de activiteit van de enzymen 3 en 4 ten opzichte van die van de enzymen 5 en 6 de hoeveelheid gevormd product E ten opzichte van product G.

Zowel de waterstroom als de activiteit van de enzymen gehoorzamen aan de wetten van de thermodynamica; derhalve kan het water in reservoir F niet vrij naar H stromen door klep 7 te openen, omdat water niet bergopwaarts kan stromen. Als echter de kleppen 1, 2, 5 en 7 open staan, stroomt het water van F naar H, omdat de energie die wordt bewaard tijdens de neerwaartse stroming van het water door de kleppen 1, 2 en 5 voldoende is om het water door klep 7 omhoog te stuwen. Op soortgelijke wijze kunnen enzymen in de metabole route verbinding F niet rechtstreeks in H omzetten, tenzij er energie beschikbaar is; enzymen zijn in staat energie van energiebesparende reacties te gebruiken om reacties te katalyseren die energie vereisen. Tijdens de enzym-gekatalyseerde oxidatie van koolhydraten tot kooldioxide en water wordt energie bewaard in de vorm van een energierijke verbinding, adenosine trifosfaat (ATP). De energie in ATP wordt gebruikt tijdens een energie-verbruikend proces zoals de enzym-gekatalyseerde samentrekking van spieren.

Omdat de behoeften van cellen en organismen variëren, moet niet alleen de activiteit maar ook de synthese van enzymen worden geregeld; zo moeten de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de spieractiviteit in een beenspier op de juiste momenten worden geactiveerd en geremd. Sommige cellen hebben bepaalde enzymen niet nodig; een levercel, bijvoorbeeld, heeft geen spierenzym nodig. Een bacterie heeft geen enzymen nodig om stoffen te metaboliseren die niet in zijn groeimedium aanwezig zijn. Sommige enzymen worden dus in bepaalde cellen niet gevormd, andere worden alleen gesynthetiseerd wanneer dat nodig is, en weer andere worden in alle cellen aangetroffen. De vorming en de activiteit van enzymen worden niet alleen geregeld door genetische mechanismen, maar ook door organische afscheidingsproducten (hormonen) van endocriene klieren en door zenuwimpulsen. Ook kleine moleculen spelen een belangrijke rol (zie hieronder Enzymflexibiliteit en allosterische controle).

Als een enzym in een bepaald opzicht defect is, kan ziekte optreden. De enzymen die in het schema worden weergegeven door de nummers 1 tot en met 4, moeten functioneren bij de omzetting van de uitgangsstof A in het product E. Als een stap geblokkeerd is omdat een enzym niet kan functioneren, kan het zijn dat product E niet wordt gevormd; als E noodzakelijk is voor een of andere vitale functie, is ziekte het gevolg. Veel erfelijke ziekten en aandoeningen bij de mens zijn het gevolg van een tekort aan een enzym. Enkele daarvan zijn in de tabel opgenomen. Albinisme bijvoorbeeld is het gevolg van een geërfd gebrek aan vermogen om het enzym tyrosinase te synthetiseren, dat één stap katalyseert in de route waarlangs het pigment voor haar- en oogkleur wordt gevormd.