酶通过多种催化策略降低活化能来加速化学反应。与化学催化剂不同，酶在温和的温度、pH 和压力条件下运行，并且对其底物表现出显着的特异性。
催化循环
酶在活性位点（三维结构中的特定口袋或裂缝）结合其底物。结合通过互补的形状和化学相互作用发生，由锁和钥匙或诱导配合模型描述。诱导拟合模型通常更准确，因为酶经常发生构象变化，从而优化底物周围的催化基团。一旦结合，酶就会稳定过渡态，即沿反应坐标的高能中间体，从而降低活化能并加速反应。
酸碱催化
酸碱催化涉及酶和底物之间的质子转移。一般酸催化提供质子以稳定形成的负电荷，而一般碱催化去除质子以增加基团的亲核性。许多酶使用氨基酸侧链作为质子供体或受体。组氨酸的用途特别广泛，因为它的咪唑基团的 pKa 接近中性，使其在生理 pH 下既可以充当酸也可以充当碱。核糖核酸酶 A 使用两个组氨酸残基（一个作为通用碱基，一个作为通用酸）来切割 RNA。
共价催化
共价催化涉及酶和底物之间共价键的瞬时形成，产生降低活化能的反应中间体。然后共价中间体分解以再生游离酶。丝氨酸蛋白酶如胰凝乳蛋白酶使用丝氨酸、组氨酸和天冬氨酸的催化三联体。丝氨酸羟基攻击底物羰基碳，形成酰基酶中间体，随后被水解。这种共价中间体可以防止逆反应并加速正向反应。
金属离子催化
大约三分之一的酶需要[金属离子和辅因子](/guides/coenzymes-and-cofactors.html) 来发挥催化活性。金属酶与锌、铁、铜或锰等金属离子紧密结合，作为不可或缺的组成部分。金属激活酶与金属离子的结合不太紧密，但需要它们才能发挥活性。金属离子通过充当亲电催化剂、稳定负电荷、介导氧化还原反应或在活性位点定向底物来参与催化。碳酸酐酶利用锌离子激活水分子来攻击二氧化碳。细胞色素c氧化酶在电子转移和氧还原反应中使用铁和铜离子。
邻近和方向催化
酶通过使底物靠近并处于正确的反应方向来提高反应速率。活性位点底物的有效浓度可能比溶液中高数千倍。这种熵的优势减少了通常伴随过渡态形成的平移和旋转自由度的损失。活性位点结构精确定向反应基团，进一步降低活化能。
过渡状态的稳定
酶通过比基态底物更紧密地结合过渡态来实现其最大的催化效果。活性位点与过渡态结构互补，而不是与底物本身互补。这种选择性稳定可以将活化能降低 10 至 15 kcal/mol，相当于速率提高 107 至 1012。过渡态类似物是类似于过渡态结构的分子，通常是有效的酶抑制剂，并已被开发为药物。过渡态稳定的概念对于理解酶进化和酶抑制剂的设计至关重要。
静电催化
与水相相比，活性位点环境的溶剂化程度通常较差，并且带电基团的位置可稳定过渡态中的形成电荷。这种静电预组织减少了催化过程中电荷稳定所需的重组能量。超氧化物歧化酶定向带电残基以稳定超氧阴离子过渡态，实现已知的最高催化速率之一，仅受扩散限制。
