A adição ou remoção de grupos fosfato de proteínas é a modificação química mais comum que regula processos celulares. Essas modificações podem afetar a estrutura, atividade, estabilidade e localização de proteínas dentro das células, bem como as suas interações com outras proteínas.

Durante a fosforilação, as quinases proteicas transferem o grupo fosfato terminal do ATP para cadeias laterais específicas de aminoácidos de proteínas substrato. Serina, treonina e tirosina são os aminoácidos mais comumente fosforilados. Assim, as quinases proteicas são classificadas como quinases de serina/treonina, quinases de tirosina ou quinases de ação dupla se puderem fosforilar todos os três aminoácidos. Por outro lado, as fosfatases proteicas catalisam a remoção do grupo fosfato (desfosforilação), restaurando as propriedades originais da proteína.

Em condições fisiológicas, a fosforilação e a desfosforilação são fortemente reguladas para evitar alterações prolongadas na estrutura e função proteicas. A interrupção desse equilíbrio pode causar doenças, incluindo cancro e vários distúrbios neurodegenerativos. Por exemplo, uma proteína chamada tau é hiperfosforilada na doença de Alzheimer (DA). Fisiologicamente, a tau regula a forma, estrutura e desenvolvimento de neurónios. A proteína tau contém mais de 80 resíduos de serina, treonina e tirosina, dos quais apenas uma fração é geralmente fosforilada. No cérebro de pacientes com DA, a tau é anormal e excessivamente fosforilada. Isso altera a solubilidade da proteína, formando agregados tóxicos insolúveis que levam à morte neuronal.