L'aggiunta o la rimozione di gruppi di fosfati dalle proteine è la modifica chimica più comune che regola i processi cellulari. Queste modifiche possono influenzare la struttura, l'attività, la stabilità e la localizzazione delle proteine all'interno delle cellule, nonché le loro interazioni con altre proteine.

Durante la fosforilalazione, le chinasi proteiche trasferiscono il gruppo terminale di fosfati dell'ATP a specifiche catene laterali di amminoacidi di proteine del substrato. Serina, treonina, e tirosina sono gli aminoacidi più comunemente fosforilati. Di conseguenza, le chinasi proteiche sono classificate come chinasi serine/treonine, chinasi tirosine o chinasi a doppia azione se possono fosforifilare tutti e tre gli aminoacidi. Al contrario, le fosfatasi proteiche catalizzano la rimozione del gruppo fosfato (defosforilazione), ripristinando le proprietà originali della proteina.

In condizioni fisiologiche, il fosforilazione e la defosforilazione sono strettamente regolate per prevenire cambiamenti prolungati nella struttura e nella funzione delle proteine. L'interruzione di questo equilibrio può causare malattie, tra cui il cancro e vari disturbi neurodegenerativi. Ad esempio, una proteina chiamata tau è iperfosforilata nella malattia di Alzheimer (AD). Fisiologicamente, tau regola la forma, struttura, e lo sviluppo dei neuroni. La proteina tau contiene oltre 80 residui di serina, treonina e tirosina, di cui solo una frazione è di solito fosforilata. Nel cervello dei pazienti con AD, il tau è anormalmente ed eccessivamente fosforilato. Questo altera la solubilità della proteina, formando aggregati insolubili tossici che portano alla morte neuronale.