Encimi in substrati so povezani na dva ključna načina, ker pogosto medsebojno delujejo v številnih bioloških procesih. Prvič, encimi in substrati so pogosto specifični drug za drugega in imajo komplementarne oblike, ki jim omogočajo, da se vežejo. Drugič, encimi lahko spremenijo substrate s katalizacijo kemičnih reakcij ali spreminjanjem struktur. Skupaj so podvrženi transformacijam, vključno s kompleksom encimskega substrata (ES), vmesnimi stanji in prehodnimi stanji.
Menijo, da je v človeškem telesu približno 75,000 encimov, od katerih so mnogi specifični za določene substrate. Encimi in substrati se med seboj vežejo z različnimi interakcijami, vključno z vodikovimi vezmi, hidrofobnimi interakcijami in kovalentnimi vezmi. Ta začetna vezava se imenuje model inducirane prileganja in ne model ključavnice, ker se vsaka molekula spremeni kot odziv na vezavo z drugo molekulo, da tvori novo tridimenzionalno obliko. Encim in substrat skupaj sestavljata kompleks ES, v katerem lahko pride do kemičnih reakcij.
Med katalizirano reakcijo encimi in substrati medsebojno delujejo, da nastanejo novi produkti. Medtem ko encim po končani reakciji ostane nespremenjen, se substrat pogosto spremeni, včasih pa se popolnoma spremeni v novo molekulo ali molekule. Kljub temu, da ostane nespremenjen, igra encim pomembno vlogo pri kemijskih reakcijah, ki se odvijajo, saj znižuje aktivacijsko energijo za nadaljevanje reakcije. To pomeni, da je energija, prisotna v kemičnih interakcijah encima in substrata, dovolj za premagovanje energijske ovire reakcije.
Skozi celotno reakcijo encimi in substrati prehajajo skozi različne stopnje. Nekatere od teh, znane kot vmesne stopnje ali kemični intermediati, vključujejo tvorbo novih, prehodnih molekul. Encim jih lahko stabilizira in katalizira nadaljnje reakcije, da te molekule spremeni v želene produkte.
Prehodna stanja so drugi kompleksi, ki nastanejo med encimi in substrati, ki so neverjetno kratkotrajni in visokoenergijski. Pogosto se pojavijo v trenutku prekinitve vezi, reformacije ali preureditve v reakciji. Encimi so pogosto strukturirani tako, da zmanjšajo energijo prehodnih stanj s stabilizacijskimi vezmi in pogosto je to zmanjšanje energije tisto, kar zniža aktivacijsko energijo reakcije.
Čeprav obstaja veliko parov encimskih substratov, lahko veliko encimov ustreza več substratom. Pravzaprav je potrebnih veliko encimov, da se dva substrata povežeta v eno samo molekulo ali da se en sam substrat razbije v dve nastali molekuli produkta. Obstaja tudi veliko encimov, ki so nespecifični, kar pomeni, da lahko ciljajo na več kot en substrat, odvisno od pogojev v celici.