Η φωσφορυλίωση πρωτεΐνης είναι η προσκόλληση μιας φωσφορικής ομάδας (PO4) σε μια πρωτεΐνη. Η νέα ομάδα φωσφόρου αλλάζει το ρόλο της πρωτεΐνης: μπορεί να ενεργοποιήσει, να απενεργοποιήσει ή να προκαλέσει αλλαγή στη λειτουργία. Η φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης είναι αρκετά κοινή σε κύτταρα προκαρυωτικών και ευκαρυωτικών οργανισμών. Παρέχει έναν τρόπο στο κύτταρο να ρυθμίζει τις βιολογικές λειτουργίες χωρίς να χρειάζεται να αλλάξει την πραγματική ποσότητα των πρωτεϊνών που είναι διαθέσιμες για να τις εκτελέσει.
Ένα μόριο που ονομάζεται κινάση πρωτεΐνης, που μερικές φορές ονομάζεται φωσφοτρανσφεράση, είναι υπεύθυνο για την επαγωγή της φωσφορυλίωσης της πρωτεΐνης. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές πρωτεϊνικές κινάσες, όλες με διαφορετικές πρωτεΐνες-στόχους. Συχνά, η δραστηριότητα μιας πρωτεϊνικής κινάσης εξαρτάται από τη φωσφορυλίωση. Αυτή η διαδικασία εξαρτάται από μια άλλη κινάση. Μερικές φορές ένα κύτταρο χρησιμοποιεί μια σειρά από αντιδράσεις, που ονομάζεται καταρράκτης φωσφορυλίωσης, για να παράγει ένα αποτέλεσμα. Η ώθηση για αυτό το είδος συμβάντων είναι συνήθως ένα σήμα έξω από το κελί. Συνήθως, η ενέργεια και η φωσφορική ομάδα για αυτές τις λειτουργίες προέρχονται από την τριφωσφορική αδενοσίνη, ένα πανταχού παρόν χαρακτηριστικό του κυτταρικού τοπίου.
Μόλις προστεθεί η νέα φωσφορική ομάδα με φωσφορυλίωση πρωτεΐνης, αλλάζει τη δομή της πρωτεΐνης ξενιστή της. Το σχήμα μιας ολόκληρης πρωτεΐνης -που ονομάζεται τριτοταγής δομή της- εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του ηλεκτρικού φορτίου. Το αρνητικό φορτίο της φωσφορικής ομάδας αλλάζει την τριτοταγή δομή αρκετά ώστε να μεταβάλλει τη λειτουργία ολόκληρης της πρωτεΐνης. Ορισμένες πρωτεΐνες μπορούν να φωσφορυλιωθούν σε πολλαπλές θέσεις, με διαφορετικά αποτελέσματα που προκύπτουν από το καθένα. Η φωσφορυλίωση συμβαίνει μόνο σε συγκεκριμένα αμινοξέα: σερίνη, θρεονίνη και τυροσίνη.
Η φωσφορυλίωση της πρωτεΐνης είναι ένα κρίσιμο στοιχείο της βιολογικής ομοιόστασης. Οι περισσότερες κυτταρικές διεργασίες είναι στοχαστικές—στηρίζονται σε ένα σύνολο μερικώς τυχαίων αλληλεπιδράσεων που μπορούν να διαχειριστούν μόνο στατιστικά. Επειδή οι περισσότερες λειτουργίες εκτελούνται από πρωτεΐνες, ο συνηθισμένος τρόπος του κυττάρου να εκτελεί κάποια λειτουργία περιλαμβάνει την παραγωγή περισσότερου ή λιγότερης ποσότητας του ενζύμου που την εκτελεί. Αυτό το σύστημα είναι σχετικά αργό. Είναι επίσης πιο δύσκολο να αναιρεθεί, καθώς οι περισσότερες πρωτεΐνες θα σταματήσουν να λειτουργούν μόνο όταν καταστραφούν.
Τα αποτελέσματα της φωσφορυλίωσης πρωτεΐνης μπορούν να αναιρεθούν από ένα ένζυμο που ονομάζεται φωσφατάση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται αποφωσφορυλίωση. Η αποφωσφορυλίωση λειτουργεί σχεδόν ακριβώς όπως η φωσφορυλίωση. Κάθε διαδικασία απαιτεί από την άλλη να είναι χρήσιμη. Είναι η δυνατότητα ταχείας φωσφορυλίωσης και στη συνέχεια αποφωσφορυλίωσης που κάνει αυτό το μονοπάτι ένα λεπτότερο μέσο ελέγχου από τη διαδικασία παραγωγής νέων πρωτεϊνών από DNA και RNA. Το άθροισμα των δύο διεργασιών, συμπεριλαμβανομένων των σημάτων που εμπλέκονται στην ολοκλήρωσή τους, ονομάζεται φωσφορορύθμιση.