단백질에서 인산기(phosphate group)의 추가 또는 제거는 세포 과정을 조절하는 가장 일반적인 화학적 변형입니다. 이러한 변형은 세포 내 단백질의 구조, 활동, 안정성, 그리고 국소화뿐만 아니라 다른 단백질과의 상호 작용에도 영향을 미칠 수 있습니다.

인산화(phosphorylation) 시 단백질인산화효소(protein kinase)는 아데노신삼인산(ATP)의 말단 인산기를 기질 단백질(substrate protein)의 특정 아미노산 측쇄에 전달합니다. 세린(serine), 트레오닌(threonine), 타이로신(tyrosine; 티로신)은 가장 흔한 인산화 아미노산입니다. 따라서 단백질인산화효소는 세린/트레오닌 인산화효소(serine/threonine kinase), 타이로신 인산화효소(tyrosine kinase), 또는 (3개의 아미노산 모두 인산화할 수 있는 경우) 이중작용 인산화효소(dual action kinase)로 분류됩니다. 반대로, 단백질 인산가수분해효소(protein phosphatase; 단백질 포스파테이스)는 인산기의 제거(즉 탈인산화; dephosphorylation)를 촉매하여 단백질의 원래 특성을 복원합니다.

생리적 조건에선 단백질 구조와 기능의 장기적인 변화를 막기 위해 인산화와 탈인산화가 엄격하게 조절됩니다. 이 균형이 깨지면 암과 각종 신경퇴행장애를 포함한 질병이 발생할 수 있습니다. 예를 들어 타우(tau)라는 단백질은 알츠하이머병에서 과도하게 인산화됩니다. 생리적으로 타우는 뉴런의 모양, 구조, 발달을 조절합니다. 타우 단백질은 80개 이상의 세린, 트레오닌, 타이로신 잔기(residue)가 포함되어 있으며, 보통 그 중 일부만이 인산화되어 있습니다. 알츠하이머 환자의 뇌에서 타우는 비정상적이고 과도하게 인산화됩니다. 이는 단백질의 용해도를 변화시켜 독성을 띤 불용성 응집체를 만들고 신경 세포를 사멸시킵니다.