Fosforilacija proteina je vezanje fosfatne (PO4) skupine na protein. Nova skupina fosfora mijenja ulogu proteina: može aktivirati, deaktivirati ili uzrokovati promjenu funkcije. Fosforilacija proteina je prilično česta u stanicama prokariotskih i eukariotskih organizama. On omogućuje stanici način da regulira biološke funkcije bez potrebe za mijenjanjem stvarne količine proteina dostupnih za njihovo obavljanje.
Molekula nazvana protein kinaza, ponekad nazvana fosfotransferaza, odgovorna je za induciranje fosforilacije proteina. Postoji mnogo različitih protein kinaza, sve s različitim ciljnim proteinima. Često je sama aktivnost protein kinaze ovisna o fosforilaciji. Ovaj proces ovisi o drugoj kinazi. Ponekad stanica koristi niz reakcija, nazvanih fosforilacijskim kaskadom, kako bi proizvela ishod. Poticaj za ovu vrstu događaja obično je signal izvan stanice. Obično energija i fosfatna skupina za ove operacije potječu od adenozin trifosfata, sveprisutne značajke staničnog krajolika.
Nakon što se nova fosfatna skupina doda fosforilacijom proteina, ona mijenja strukturu proteina domaćina. Oblik cijelog proteina – koji se naziva njegova tercijarna struktura – ovisi o nizu čimbenika, uključujući električni naboj. Negativni naboj fosfatne skupine mijenja tercijarnu strukturu dovoljno da promijeni funkciju cijelog proteina. Neki proteini mogu se fosforilirati na više mjesta, s različitim učincima na svakom od njih. Fosforilacija se događa samo na određenim aminokiselinama: serin, treonin i tirozin.
Fosforilacija proteina je ključni element biološke homeostaze. Većina staničnih procesa je stohastički – oslanjaju se na skup djelomično slučajnih interakcija kojima se može upravljati samo statistički. Budući da većinu funkcija provode proteini, uobičajeni način na koji stanica izvodi neke operacije uključuje stvaranje više ili manje enzima koji ih izvodi. Ovaj je sustav relativno spor; također je teže poništiti, budući da će većina proteina prestati funkcionirati tek kada se unište.
Učinke fosforilacije proteina može poništiti enzim zvan fosfataza. Taj se proces naziva defosforilacija. Defosforilacija djeluje gotovo isto kao i fosforilacija. Svaki proces zahtijeva da drugi bude koristan. Mogućnost brzog fosforiliranja, a zatim defosforiliranja čini ovaj put finijim sredstvom kontrole od procesa generiranja novih proteina iz DNA i RNA. Zbroj dvaju procesa, uključujući signale uključene u njihovo dovršavanje, naziva se fosforegulacija.