Τα ένζυμα και τα υποστρώματα σχετίζονται με δύο βασικούς τρόπους επειδή αλληλεπιδρούν συχνά μεταξύ τους σε πολλές βιολογικές διεργασίες. Πρώτον, τα ένζυμα και τα υποστρώματα είναι συχνά ειδικά το ένα για το άλλο, διαθέτοντας συμπληρωματικά σχήματα που τους επιτρέπουν να δεσμεύονται. Δεύτερον, τα ένζυμα μπορούν να αλλάξουν υποστρώματα καταλύοντας χημικές αντιδράσεις ή τροποποιώντας δομές. Μαζί υφίστανται μετασχηματισμούς, συμπεριλαμβανομένου του συμπλόκου του ενζυμικού υποστρώματος (ES), των ενδιάμεσων καταστάσεων και των μεταβατικών καταστάσεων.
Πιστεύεται ότι υπάρχουν περίπου 75,000 ένζυμα στο ανθρώπινο σώμα, πολλά από τα οποία είναι ειδικά για ορισμένα υποστρώματα. Τα ένζυμα και τα υποστρώματα συνδέονται μεταξύ τους μέσω διαφόρων αλληλεπιδράσεων, συμπεριλαμβανομένων δεσμών υδρογόνου, υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων και ομοιοπολικών δεσμών. Αυτή η αρχική σύνδεση αναφέρεται ως μοντέλο επαγόμενης προσαρμογής και όχι ως μοντέλο κλειδώματος και κλειδιού, επειδή κάθε μόριο αλλάζει ως απόκριση στη σύνδεση με το άλλο μόριο για να σχηματίσει ένα νέο τρισδιάστατο σχήμα. Μαζί, το ένζυμο και το υπόστρωμα περιλαμβάνουν το σύμπλεγμα ES, στο οποίο μπορούν να συμβούν χημικές αντιδράσεις.
Κατά τη διάρκεια μιας καταλυμένης αντίδρασης, ένζυμα και υποστρώματα αλληλεπιδρούν για να δώσουν νέα προϊόντα. Ενώ το ένζυμο παραμένει αμετάβλητο μετά την ολοκλήρωση της αντίδρασης, το υπόστρωμα συχνά τροποποιείται, μερικές φορές μεταβάλλεται εντελώς σε νέο μόριο ή μόρια. Παρά το ότι παραμένει αμετάβλητο, το ένζυμο παίζει σημαντικό ρόλο στις χημικές αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα επειδή μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης για να προχωρήσει η αντίδραση. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια που υπάρχει στις χημικές αλληλεπιδράσεις ενζύμου και υποστρώματος είναι αρκετή για να ξεπεραστεί το ενεργειακό εμπόδιο της αντίδρασης.
Καθ ‘όλη τη διάρκεια της αντίδρασης, τα ένζυμα και τα υποστρώματα περνούν από διαφορετικά στάδια. Μερικά από αυτά, γνωστά ως ενδιάμεσα στάδια ή χημικά ενδιάμεσα, περιλαμβάνουν τον σχηματισμό νέων, παροδικών μορίων. Το ένζυμο είναι σε θέση να τα σταθεροποιήσει και να καταλύσει περαιτέρω αντιδράσεις για να μετατρέψει αυτά τα μόρια στα επιθυμητά προϊόντα.
Οι μεταβατικές καταστάσεις είναι άλλα σύμπλοκα που σχηματίζονται μεταξύ ενζύμων και υποστρωμάτων που είναι απίστευτα βραχύβια και υψηλής ενέργειας. Εμφανίζονται συχνά τη στιγμή της θραύσης, της αναμόρφωσης ή της αναδιάταξης της αντίδρασης. Τα ένζυμα είναι συχνά δομημένα ώστε να μειώνουν την ενέργεια των μεταβατικών καταστάσεων μέσω σταθεροποίησης δεσμών και συχνά αυτή η μείωση της ενέργειας είναι αυτή που μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης της αντίδρασης.
Αν και υπάρχουν πολλά ζεύγη ενζυμικών υποστρωμάτων, πολλά ένζυμα μπορούν να αντιστοιχούν σε πολλαπλά υποστρώματα. Στην πραγματικότητα, χρειάζονται πολλά ένζυμα για να ενώσουν δύο υποστρώματα μαζί σε ένα μόνο μόριο ή για να διασπάσουν ένα μόνο υπόστρωμα σε δύο μόρια προϊόντος που προκύπτουν. Υπάρχουν επίσης πολλά ένζυμα που είναι μη ειδικά, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να στοχεύσουν περισσότερα από ένα υποστρώματα, ανάλογα με τις συνθήκες μέσα στο κύτταρο.