Proteiinin fosforylaatio on fosfaatti (PO4) -ryhmän kiinnittyminen proteiiniin. Uusi fosforiryhmä muuttaa proteiinin roolia: se voi aktivoida, deaktivoida tai muuttaa toimintoa. Proteiinien fosforylaatio on melko yleistä prokaryoottisten ja eukaryoottisten organismien soluissa. Se tarjoaa tavan solulle säätää biologisia toimintoja tarvitsematta muuttaa niiden suorittamiseen käytettävissä olevaa proteiinien todellista määrää.
Proteiinikinaasiksi kutsuttu molekyyli, jota joskus kutsutaan fosfotransferaasiksi, on vastuussa proteiinin fosforylaation indusoimisesta. On olemassa monia erilaisia proteiinikinaaseja, joilla kaikilla on eri kohdeproteiinit. Usein proteiinikinaasin aktiivisuus on itse riippuvainen fosforylaatiosta. Tämä prosessi on riippuvainen toisesta kinaasista. Joskus solu käyttää tuloksen tuottamiseksi reaktiojonoa, jota kutsutaan fosforylaatiokaskadiksi. Vauhti tämän tyyppiselle tapahtumalle on yleensä signaali solun ulkopuolelta. Yleensä energia ja fosfaattiryhmä näihin toimintoihin tulee adenosiinitrifosfaatista, joka on kaikkialla läsnä oleva ominaisuus solumaisemassa.
Kun uusi fosfaattiryhmä on lisätty proteiinin fosforylaatiolla, se muuttaa isäntäproteiininsa rakennetta. Koko proteiinin muoto – jota kutsutaan sen tertiääriseksi rakenteeksi – riippuu monista tekijöistä, mukaan lukien sähkövaraus. Fosfaattiryhmän negatiivinen varaus muuttaa tertiääristä rakennetta riittävästi muuttaakseen koko proteiinin toimintaa. Jotkut proteiinit voidaan fosforyloida useissa paikoissa, joista jokaisella on erilaisia vaikutuksia. Fosforylaatio tapahtuu vain tietyissä aminohapoissa: seriini, treoniini ja tyrosiini.
Proteiinin fosforylaatio on tärkeä osa biologista homeostaasia. Useimmat soluprosessit ovat stokastisia – ne perustuvat joukkoon osittain satunnaisia vuorovaikutuksia, joita voidaan hallita vain tilastollisesti. Koska useimmat toiminnot suoritetaan proteiineilla, solun tavanomainen tapa suorittaa jokin toimenpide sisältää enemmän tai vähemmän sen suorittavan entsyymin valmistuksen. Tämä järjestelmä on suhteellisen hidas; sitä on myös vaikeampi kumota, koska useimmat proteiinit lakkaavat toimimasta vasta kun ne tuhoutuvat.
Proteiinin fosforylaation vaikutukset voidaan kumota entsyymillä, jota kutsutaan fosfataasiksi. Tätä prosessia kutsutaan defosforylaatioksi. Defosforylaatio toimii melkein täsmälleen kuin fosforylaatio. Jokainen prosessi vaatii toisen olevan hyödyllinen. Mahdollisuus fosforyloida nopeasti ja sitten defosforyloida tekee tästä reitistä hienomman hallintavälineen kuin prosessi uusien proteiinien luomiseksi DNA: sta ja RNA: sta. Kahden prosessin summaa, mukaan lukien niiden suorittamiseen liittyvät signaalit, kutsutaan fosforisäätelyksi.