Das Hinzufügen oder Entfernen von Phosphatgruppen in Proteinen ist die häufigste chemische Modifikation, welche zelluläre Prozesse reguliert. Diese Modifikationen können die Struktur, Aktivität, Stabilität und Lokalisierung von Proteinen innerhalb der Zelle sowie deren Wechselwirkungen mit anderen Proteinen beeinflussen.

Bei der Phosphorylierung übertragen Proteinkinasen die terminale Phosphatgruppe von ATP auf spezifische Aminosäureseitenketten von Substratproteinen. Serin, Threonin und Tyrosin sind die am häufigsten phosphorylierten Aminosäuren. Entsprechend werden Proteinkinasen als Serin-/Threonin-Kinasen, Tyrosinkinasen oder multifunktionelle Kinasen klassifiziert, wenn sie alle drei Aminosäuren phosphorylieren können. Umgekehrt katalysieren Proteinphosphatasen die Entfernung der Phosphatgruppe (Dephosphorylierung) und stellen so die ursprünglichen Eigenschaften des Proteins wieder her.

Unter physiologischen Bedingungen sind Phosphorylierung und Dephosphorylierung streng reguliert, um langanhaltende Veränderungen der Proteinstruktur und-funktion zu verhindern. Eine Störung dieses Gleichgewichts kann Krankheiten, einschließlich Krebs und verschiedene neurodegenerative Störungen, verursachen. Bei einer Alzheimererkrankung wird das Protein Tau beispielsweise hyperphosphoryliert. Physiologisch gesehen reguliert Tau die Form, Struktur und Entwicklung von Nervenzellen. Das Tau-Protein enthält über 80 Serin-, Threonin-und Tyrosinreste, von denen normalerweise nur ein Bruchteil phosphoryliert ist. In den Gehirnen von Alzheimer-Patienten wird Tau ungewöhnlich und übermäßig phosphoryliert. Dies verändert die Löslichkeit des Proteins und bildet toxische unlösliche Aggregate, die zum neuronalen Zelltod führen.