酸碱催化是指酶通过瞬时向底物提供质子或接受质子，从而稳定过渡态，加速反应。根据不同的酸碱理论，可分为一般酸碱（广义酸碱）催化和特殊酸碱（狭义酸碱）催化两种，后者特指H 和OH-的催化作用；前者还包括其他弱酸弱碱的催化作用。酶促反应一般发生在近中性条件，H 和OH-的浓度很低，所以主要是一般酸碱催化。酶分子中的一些可解离集团如咪唑基、羧基、氨基、巯基常起一般酸碱催化作用，其中咪唑最活泼有效。
酶经常通过酸碱共催化和质子转移通路来加速反应。这种效应可以用四甲基葡萄糖在苯中的变旋反应作为参考。此反应如果单独用吡啶（碱）或酚（酸）来催化，速度很慢；如果二者混合催化，则速度加快，即酸碱共催化。如果把酸和碱集中在一个分子中，即合成α－羟基吡啶，它的催化速度又加快7000倍。这是因为两个催化集团集中在一个分子中有利于质子的传递。在酶－底物复合物中经常由氢键和共轭结构形成质子传递通路，从而大大提高催化效率。
胰凝乳蛋白酶中的质子传递通路
一般酸碱催化在各种酶中普遍存在，因为质子转移是最普遍的生化反应，如羰基的加成，酮与烯醇的互变异构，肽键和酯键的水解以及磷酸和焦磷酸参与的反应等。
有30％以上的酶需要金属元素作为辅因子。有些酶的金属离子与酶蛋白结合紧密，不易分离，称为金属酶；有些酶的金属离子结合松散，称为金属活化酶。金属酶的辅因子一般是过渡金属，如铁、锌、铜、锰等；金属活化酶的辅因子一般是碱金属或碱土金属，如钾、钙、镁等。
碳酸酐酶含有锌离子（左）
金属离子在催化过程中主要通过三种方式起作用：通过与底物结合使其正确定向；多价金属离子通过价态变化携带电子，参与氧化还原反应；通过静电作用稳定或屏蔽负电荷。例如镁离子与ATP结合后，可以屏蔽磷酸基团的负电荷，消除其对亲核试剂的排斥。
ATP与镁离子络合
金属离子带正电，可以起到类似氢离子的酸催化作用，但碱土金属和过渡金属可以携带多个正电荷，作用比氢离子更强；由于金属离子的络合作用，局部浓度也可以更高，所以催化效果更好。
以上四种机制都可以加速反应。酶是大分子，通常活性中心含有多个催化基团，往往同时具有其中的几种因素，并且协同作用，称为多元催化。这也是酶能够达到比无机催化剂更高催化效率的原因之一。
除了这些直接加速反应的机制以外，酶的催化还有一个特点不容忽视，就是酶通常将底物完全包围在催化中心内部，所以与底物的结合是立体的，其催化的立体专一性非常强。这对于化工、制药等领域中复杂手性化合物的合成非常有利。
