La adición o eliminación de grupos de fosfato de proteínas es la modificación química más común que regula los procesos celulares. Estas modificaciones pueden afectar la estructura, actividad, estabilidad y localización de proteínas dentro de las células, así como sus interacciones con otras proteínas.

Durante la fosforilación, las quinasas proteicas transfieren el grupo de fosfato terminal de ATP a cadenas laterales de aminoácidos específicas de proteínas de sustrato. Serine, troonina, y tirosina son los aminoácidos más comúnmente fosforilados. En consecuencia, las quinasas proteicas se clasifican como quinasas de serina/threoína, quinasas de tirosina, o quinasas de doble acción si pueden fosforilar los tres aminoácidos. Por el contrario, las fosfatasas proteicas catalizan la eliminación del grupo fosfato (defosforilación), restaurando las propiedades originales de la proteína.

En condiciones fisiológicas, la fosforilación y la desfosforilación están estrechamente reguladas para evitar cambios prolongados en la estructura y función de las proteínas. La interrupción de este equilibrio puede causar enfermedades, como el cáncer y varios trastornos neurodegenerativos. Por ejemplo, una proteína llamada tau se hiperfosforila en la enfermedad de Alzheimer (AD). Fisiológicamente, el tau regula la forma, la estructura y el desarrollo de las neuronas. La proteína tau contiene más de 80 residuos de serina, troonina y tirosina, de los cuales sólo una fracción suele ser fosforilada. En el cerebro de los pacientes con AD, tau es anormal y excesivamente fosforilado. Esto altera la solubilidad de la proteína, formando agregados insolubles tóxicos que conducen a la muerte neuronal.