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磷酸酶是一種能夠將對應底物去磷酸化的酶，即通過水解磷酸單酯將底物分子上的磷酸基團除去，并生成磷酸根離子和自由的羥基。磷酸酶的作用與激酶的作用正相反，激酶是磷酸化酶，可以利用能量分子，如ATP，將磷酸基團加到對應底物分子上。在許多生物體中都普遍存在的一種磷酸酶是堿性磷酸酶。
磷酸酶可以被分為兩類：半胱氨酸依賴的磷酸酶和金屬磷酸酶(其活性依賴位于活性位點上的金屬離子)。
半胱氨酸依賴的磷酸酶催化酪氨酸去磷酸化的機制。
半胱氨酸依賴的磷酸酶通過形成磷酸－半胱氨酸中間體來催化磷酸酯鍵的斷裂，具體過程如下(以磷酸化的酪氨酸去磷酸化過程為例，參見右圖)：
首先，酶活性位點上的自由的半胱氨酸親核基團進攻磷酸基團中的磷原子并成鍵；然后，連接磷酸基團與酪氨酸的P-O鍵接受位置合適的酸性氨基酸(如天冬氨酸)或水分子所提供的質子，發生質子化，從而形成磷酸－半胱氨酸中間體；這一中間體被另一個水分子所水解，酶的活性位點被釋放，可以繼續下一個去磷酸化反應。
金屬磷酸酶的活性位點上結合了兩個催化所必需的金屬離子。而對于這兩個金屬離子的性質的研究結果并不一致，因此到目前為止還沒有定論。現有的證據只能夠表明，這兩種金屬可以是鎂、錳、鐵、鋅的任意組合，并且兩個金屬離子之間通過一個氫氧根離子相連。目前認為這一氫氧根離子參與了對磷的親核攻擊。
磷酸酶與激酶或磷酸化酶的磷酸化作用正相反。磷酸化可以使一個酶被激活或失活(如，激酶信號通路)，也可以使一個蛋白－蛋白間相互作用發生(如SH3結構域)；因此，磷酸酶是許多信號轉導通路控制磷酸化所必需的。值得一提的是，磷酸化或去磷酸化并不一定對應著酶的激活或抑制，而且一些酶有多個磷酸化位點參與激活或抑制的調控。例如，周期素依賴性激酶(CDK)有多個能夠被磷酸化的特定氨基酸殘基，而激活或抑制對應不同殘基的磷酸化。磷酸之所以對于信號傳導很重要，其原因在于它能夠對其所結合的蛋白的行動進行調控；而除去磷酸，則是一種反向作用(如果磷酸化是激活作用，則去磷酸化就是抑制作用)，磷酸酶就在這里扮演了重要的角色。