Het toevoegen of verwijderen van fosfaatgroepen aan eiwitten is de meest voorkomende chemische modificatie die cellulaire processen reguleert. Deze modificaties kunnen de structuur, activiteit, stabiliteit en lokalisatie van eiwitten in cellen beïnvloeden, evenals hun interacties met andere eiwitten.
Tijdens fosforylering dragen proteïnekinasen de terminale fosfaatgroep van ATP over aan een specifieke aminozuurzijketen van substraateiwitten. Serine, threonine en tyrosine zijn de meest bekende gefosforyleerde aminozuren. De bijbehorende proteïnekinasen worden geclassificeerd als serine / treoninekinasen, tyrosinekinasen of kinasen met een dubbele werking als ze alle drie de aminozuren kunnen fosforyleren. Eiwitfosfatasen katalyseren daarentegen de verwijdering van de fosfaatgroep (defosforylering), waardoor de oorspronkelijke eigenschappen van het eiwit worden hersteld.
Onder fysiologische omstandigheden worden fosforylering en defosforylering streng gereguleerd om langdurige veranderingen in eiwitstructuur en functie te voorkomen. Als dit evenwicht verstoord is kunnen ziekten ontstaan, zoals kanker en verschillende neurodegeneratieve aandoeningen. Het eiwit tau is bijvoorbeeld hypergefosforyleerd bij de ziekte van Alzheimer. Onder normale omstandigheden reguleert tau de vorm, structuur en ontwikkeling van neuronen. Het tau-eiwit bevat meer dan 80 serine-, threonine- en tyrosineresiduen, waarvan meestal slechts een fractie is gefosforyleerd. In de hersenen van patiënten met Alzheimer wordt tau in overmaat gefosforyleerd. Dit verandert de oplosbaarheid van het eiwit, waardoor toxische onoplosbare aggregaten ontstaan die celdood tot gevolg hebben.
