Proteinfosforylering är bindningen av en fosfatgrupp (PO4) till ett protein. Den nya fosforgruppen förändrar proteinets roll: det kan aktivera, inaktivera eller orsaka en funktionsförändring. Proteinfosforylering är ganska vanlig i celler från prokaryota och eukaryota organismer. Det ger ett sätt för cellen att reglera biologiska funktioner utan att behöva ändra den faktiska mängden tillgängliga proteiner för att utföra dem.
En molekyl som kallas proteinkinas, ibland kallad fosfotransferas, är ansvarig för att inducera proteinfosforylering. Det finns många olika proteinkinaser, alla med olika målproteiner. Ofta är aktiviteten hos ett proteinkinas i sig självt beroende av fosforylering. Denna process är beroende av ett annat kinas. Ibland använder en cell en rad reaktioner, som kallas en fosforyleringskaskad, för att producera ett resultat. Drivkraften för denna typ av händelse är vanligtvis en signal utanför cellen. Vanligtvis kommer energin och fosfatgruppen för dessa operationer från adenosintrifosfat, ett allestädes närvarande inslag i det cellulära landskapet.
När den nya fosfatgruppen väl tillsätts genom proteinfosforylering ändrar den strukturen på dess värdprotein. Formen på ett helt protein – som kallas dess tertiära struktur – är beroende av en mängd olika faktorer, inklusive elektrisk laddning. Den negativa laddningen av fosfatgruppen ändrar den tertiära strukturen tillräckligt för att förändra hela proteinets funktion. Vissa proteiner kan fosforyleras på flera platser, med olika effekter som resultat av var och en. Fosforylering sker endast vid specifika aminosyror: serin, treonin och tyrosin.
Proteinfosforylering är en avgörande del av biologisk homeostas. De flesta cellulära processer är stokastiska – de förlitar sig på en uppsättning delvis slumpmässiga interaktioner som endast kan hanteras statistiskt. Eftersom de flesta funktioner utförs av proteiner, innebär cellens vanliga sätt att utföra någon operation att göra mer eller färre av enzymet som utför det. Detta system är relativt långsamt; det är också svårare att ångra, eftersom de flesta proteiner bara slutar fungera när de förstörs.
Effekterna av proteinfosforylering kan upphävas av ett enzym som kallas fosfatas. Denna process kallas defosforylering. Defosforylering fungerar nästan exakt som fosforylering. Varje process kräver att den andra är användbar. Det är möjligheten att snabbt fosforylera och sedan defosforylera som gör denna väg till ett finare kontrollmedel än processen att generera nya proteiner från DNA och RNA. Summan av de två processerna, inklusive de signaler som är involverade i att slutföra dem, kallas fosforreglering.