Fosforilarea proteinelor este atașarea unei grupări fosfat (PO4) la o proteină. Noul grup de fosfor modifică rolul proteinei: poate activa, dezactiva sau poate provoca o schimbare a funcției. Fosforilarea proteinelor este destul de comună în celulele organismelor procariote și eucariote. Oferă o modalitate pentru ca celula să regleze funcțiile biologice fără a fi nevoie să modifice cantitatea reală de proteine disponibile pentru a le îndeplini.
O moleculă numită protein kinază, uneori numită fosfotransferază, este responsabilă pentru inducerea fosforilării proteinelor. Există multe proteine kinaze diferite, toate cu proteine țintă diferite. Adesea, activitatea unei proteine kinaze este ea însăși dependentă de fosforilare. Acest proces este dependent de o altă kinază. Uneori, o celulă folosește un șir de reacții, numite cascadă de fosforilare, pentru a produce un rezultat. Impulsul pentru acest tip de eveniment este de obicei un semnal din exteriorul celulei. De obicei, energia și grupul fosfat pentru aceste operații provin din adenozin trifosfat, o caracteristică omniprezentă a peisajului celular.
Odată ce noua grupă fosfat este adăugată prin fosforilarea proteinelor, aceasta schimbă structura proteinei gazdă. Forma unei proteine întregi – numită structura sa terțiară – depinde de o varietate de factori, inclusiv de sarcina electrică. Sarcina negativă a grupului fosfat modifică structura terțiară suficient pentru a modifica funcția întregii proteine. Unele proteine pot fi fosforilate în mai multe locații, cu efecte diferite rezultate din fiecare. Fosforilarea are loc numai la aminoacizi specifici: serină, treonină și tirozină.
Fosforilarea proteinelor este un element crucial al homeostaziei biologice. Majoritatea proceselor celulare sunt stocastice – se bazează pe un set de interacțiuni parțial aleatorii care pot fi gestionate doar statistic. Deoarece majoritatea funcțiilor sunt îndeplinite de proteine, modul obișnuit al celulei de a efectua o anumită operație implică producerea mai mult sau mai puțin din enzima care o realizează. Acest sistem este relativ lent; de asemenea, este mai dificil de anulat, deoarece majoritatea proteinelor nu vor mai funcționa decât atunci când sunt distruse.
Efectele fosforilării proteinelor pot fi anulate de o enzimă numită fosfatază. Acest proces se numește defosforilare. Defosforilarea funcționează aproape exact ca fosforilarea. Fiecare proces necesită ca celălalt să fie util. Posibilitatea de fosforilare rapidă și apoi defosforilare este cea care face din această cale un mijloc de control mai fin decât procesul de generare de noi proteine din ADN și ARN. Suma celor două procese, inclusiv semnalele implicate în finalizarea lor, se numește fosforeglare.