Fosforilasi protein adalah pelekatan gugus fosfat (PO4) ke protein. Gugus fosfor baru mengubah peran protein: ia dapat mengaktifkan, menonaktifkan, atau menyebabkan perubahan fungsi. Fosforilasi protein cukup umum dalam sel organisme prokariotik dan eukariotik. Ini menyediakan cara bagi sel untuk mengatur fungsi biologis tanpa harus mengubah jumlah sebenarnya dari protein yang tersedia untuk menjalankannya.
Sebuah molekul yang disebut protein kinase, kadang-kadang disebut phosphotransferase, bertanggung jawab untuk menginduksi fosforilasi protein. Ada banyak protein kinase yang berbeda, semuanya dengan protein target yang berbeda. Seringkali, aktivitas protein kinase itu sendiri bergantung pada fosforilasi. Proses ini tergantung pada kinase lain. Kadang-kadang sel menggunakan serangkaian reaksi, yang disebut kaskade fosforilasi, untuk menghasilkan suatu hasil. Dorongan untuk jenis acara ini biasanya merupakan sinyal dari luar sel. Biasanya, energi dan gugus fosfat untuk operasi ini berasal dari adenosin trifosfat, fitur lanskap seluler yang ada di mana-mana.
Setelah gugus fosfat baru ditambahkan oleh fosforilasi protein, ia mengubah struktur protein inangnya. Bentuk keseluruhan protein—disebut struktur tersiernya—bergantung pada berbagai faktor, termasuk muatan listrik. Muatan negatif gugus fosfat cukup mengubah struktur tersier untuk mengubah fungsi seluruh protein. Beberapa protein dapat difosforilasi di beberapa lokasi, dengan efek berbeda yang dihasilkan dari masing-masing lokasi. Fosforilasi hanya terjadi pada asam amino tertentu: serin, treonin, dan tirosin.
Fosforilasi protein adalah elemen penting dari homeostasis biologis. Sebagian besar proses seluler bersifat stokastik—mereka bergantung pada serangkaian interaksi acak parsial yang hanya dapat dikelola secara statistik. Karena sebagian besar fungsi dilakukan oleh protein, cara sel yang biasa melakukan beberapa operasi melibatkan pembuatan lebih banyak atau lebih sedikit enzim yang menjalankannya. Sistem ini relatif lambat; itu juga lebih sulit untuk dibatalkan, karena sebagian besar protein hanya akan berhenti berfungsi ketika dihancurkan.
Efek fosforilasi protein dapat dibatalkan oleh enzim yang disebut fosfatase. Proses ini disebut defosforilasi. Defosforilasi bekerja hampir persis seperti fosforilasi. Setiap proses membutuhkan yang lain untuk menjadi berguna. Kemungkinan fosforilasi cepat kemudian defosforilasi yang membuat jalur ini menjadi sarana kontrol yang lebih baik daripada proses menghasilkan protein baru dari DNA dan RNA. Jumlah dari dua proses, termasuk sinyal yang terlibat dalam menyelesaikannya, disebut fosforregulasi.