酶是一种生物催化剂，能够提高化学反应的速率，而在整个过程中不被消耗。大多数酶是蛋白质，但一些 RNA 分子也具有催化活性。酶使反应能够在适合生命活动的条件下快速进行，并协调细胞内的化学过程。各种酶的活动共同支持代谢、生长、繁殖以及生物体结构的维持。酶的研究是生物化学的核心领域之一。(ncbi.nlm.nih.gov)
结构与底物识别
蛋白质酶由氨基酸链折叠形成三维结构。其中一个相对较小的区域称为活性位点，它与一种或多种称为底物的反应物结合，并提供催化所需的化学环境。通过蛋白质折叠而聚集在一起的氨基酸残基，即使在蛋白质序列中相距很远，也可能共同参与底物结合或化学转化。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶对特定底物和反应具有专一性，但这种专一性并不总是绝对的。识别取决于分子的形状、电荷及其他性质。早期的锁钥模型认为，底物能够嵌入与其互补的活性位点；诱导契合模型则进一步指出，底物结合可以改变酶的构象。这些变化有助于使反应基团处于适合后续反应的位置。(ncbi.nlm.nih.gov)
具有催化活性的 RNA 分子称为核酶，例如参与前体 RNA 加工的 RNA。RNA 还构成了核糖体中负责肽键形成的催化中心，表明生物体内的催化并不限于蛋白质。(nobelprize.org)
催化机制
酶促催化提供了一条活化自由能垒更低的反应途径。酶可以使底物采取合适的取向、促进质子转移、形成暂时性的共价中间体，或利用金属离子辅助化学转化。其中一个核心原理是，相对于反应物，酶能更有效地稳定过渡态。产物释放后，酶可以进入下一轮催化循环。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶不会改变反应物与产物之间的总吉布斯自由能差，也不会改变化学平衡的位置。它加快的是反应趋近平衡的过程，而不是把原本在热力学上不利的反应变为有利的反应。细胞可以将不利的转化与有利的反应偶联，例如与三磷酸腺苷（ATP）的分解偶联，从而推动这些转化。(ncbi.nlm.nih.gov)
有些酶需要辅因子，即酶发挥活性所必需的非蛋白质组分。辅因子包括无机离子，以及称为辅酶的有机分子。它们可以帮助转移电子或化学基团，也可以参与活性位点的催化化学过程。因此，辅因子的可用性会影响酶的功能。(openstax.org)
动力学与环境条件
酶动力学研究反应速率如何随底物浓度、酶浓度及实验条件变化。许多简单的酶促反应近似遵循米氏动力学：
[ v_0=\frac{V_{\max}[S]}{K_m+[S]}, ]
其中，(v_0) 为初始反应速率，([S]) 为底物浓度，(V_{\max}) 为底物浓度达到饱和时的极限速率。米氏常数 (K_m) 是反应速率等于 (V_{\max}) 一半时的底物浓度。该方程适用于特定的假设条件，并不能描述所有酶体系。(ncbi.nlm.nih.gov)
在底物浓度较低时，提高底物浓度通常会显著加快反应速率。随着活性位点被占据的频率增加，反应速率逐渐趋于饱和。转换数 (k_{\mathrm{cat}}) 表示每个催化位点在单位时间内最多能够转化的底物分子数。这些动力学测量值描述的是酶在指定条件下的性质，而不是独立于环境的固有表现。(ncbi.nlm.nih.gov)
温度和酸碱度会影响催化活性。升温通常会提高反应速率，但温度过高可能破坏蛋白质结构，使活性降低。pH 的变化会改变底物和活性位点残基的电离状态；极端条件可能导致变性。不同酶的最适条件各不相同，也在一定程度上取决于活性的测量方式。(openstax.org)
调节与抑制
细胞通过调节酶来协调代谢途径。某些分子与活性位点之外的部位结合，可以通过变构调节改变酶的活性。在反馈抑制中，一条代谢途径的产物会抑制该途径较早步骤中的酶，有助于防止产物不必要的积累。酶活性也可以通过可逆的化学修饰，或通过改变酶的数量来控制。(ncbi.nlm.nih.gov)
酶抑制会降低催化活性。竞争性抑制剂与底物竞争结合位置，通常是活性位点。其他抑制剂则与处于不同状态的酶或酶的不同部位相互作用，通过不同机制改变催化过程。变构调节与动力学上的抑制分类彼此相关，但不能作为相互替代的描述。(ncbi.nlm.nih.gov)
分类与命名
国际生物化学与分子生物学联合会按照酶所催化的反应对其进行分类，并使用由四部分组成的酶学委员会编号（EC 编号）。七个主要类别是氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶、连接酶和转位酶，分别涵盖氧化还原、基团转移、水解、非水解性断裂或加成、重排、分子连接，以及与催化反应偶联的转位过程。转位酶于 2018 年被列为独立类别。EC 编号标识的是一种酶活性，而不是某个唯一的蛋白质序列。(iubmb.org)
历史发展与应用
1897 年，爱德华·布赫纳证明，无细胞的酵母提取物能够进行酒精发酵，从而确立了这一过程不需要完整活细胞的事实。1926 年，詹姆斯·B. 萨姆纳将脲酶结晶，为酶可以是蛋白质提供了证据。后来发现的催化性 RNA 进一步拓展了酶在分子层面的定义。(nobelprize.org)
酶是实验和工业生产中的重要工具。聚合酶链式反应使用 DNA 聚合酶，包括耐热的 Taq 聚合酶，来扩增选定的 DNA 片段。工业生物催化利用酶生产化合物，包括药物中间体。定向进化通过反复进行遗传变异与选择或筛选来改造酶，获得适合特定底物和工艺条件的催化剂。(genome.gov)