Добавление или удаление фосфатных групп из белков является наиболее распространенной химической модификацией, которая регулирует клеточные процессы. Эти изменения могут повлиять на структуру, активность, стабильность и локализацию белков в клетках, а также на их взаимодействие с другими белками.

Во время фосфорилирования белковые киназы передают терминационную фосфатную группу АТФ в специфические аминокислотные боковые цепи субстратных белков. Серин, трионин и тирозин являются наиболее часто фосфорилированными аминокислотами. Соответственно, белковые киназы классифицируются как серин/трионин киназы, тирозинкинасы, или киназы двойного действия, если они могут фосфорилировать все три аминокислоты. И наоборот, белковые фосфаты катализируют удаление фосфатной группы (дефосфорилирование), восстанавливая первоначальные свойства белка.

В физиологических условиях фосфорилирование и дефосфорилирование жестко регулируются для предотвращения длительных изменений в структуре и функции белка. Нарушение этого баланса может вызвать заболевания, в том числе рак и различные нейродегенеративные расстройства. Например, белок под названием тау гиперфосфорилируется при болезни Альцгеймера (AD). Физиологически тау регулирует форму, структуру и развитие нейронов. Белок тау содержит более 80 серинов, трионинов и остатков тирозина, из которых только часть обычно фосфорилируется. В мозгу пациентов с АД тау аномально и чрезмерно фосфорилируется. Это изменяет растворимость белка, образуя токсичные нерастворимые агрегаты, которые приводят к гибели нейронов.