Fosforilacija beljakovin je vezava fosfatne (PO4) skupine na beljakovino. Nova skupina fosforja spremeni vlogo proteina: lahko aktivira, deaktivira ali povzroči spremembo funkcije. Fosforilacija beljakovin je precej pogosta v celicah prokariontskih in evkariontskih organizmov. Zagotavlja način, da celica uravnava biološke funkcije, ne da bi jim bilo treba spremeniti dejansko količino beljakovin, ki so na voljo za njihovo izvajanje.
Molekula, imenovana protein kinaza, včasih imenovana fosfotransferaza, je odgovorna za induciranje fosforilacije beljakovin. Obstaja veliko različnih protein kinaz, vse z različnimi ciljnimi proteini. Pogosto je aktivnost protein kinaze sama po sebi odvisna od fosforilacije. Ta proces je odvisen od druge kinaze. Včasih celica uporabi niz reakcij, imenovanih fosforilacijski kaskadi, da ustvari rezultat. Spodbuda za to vrsto dogodka je običajno signal izven celice. Običajno energija in fosfatna skupina za te operacije prihajata iz adenozin trifosfata, ki je vseprisotna značilnost celične pokrajine.
Ko je nova fosfatna skupina dodana s fosforilacijo beljakovin, spremeni strukturo svojega gostiteljskega proteina. Oblika celotnega proteina, imenovana njegova terciarna struktura, je odvisna od številnih dejavnikov, vključno z električnim nabojem. Negativni naboj fosfatne skupine dovolj spremeni terciarno strukturo, da spremeni delovanje celotnega proteina. Nekatere beljakovine je mogoče fosforilirati na več lokacijah, pri čemer je vsaka posledica različnih učinkov. Fosforilacija se pojavi samo pri določenih aminokislinah: serin, treonin in tirozin.
Fosforilacija beljakovin je ključni element biološke homeostaze. Večina celičnih procesov je stohastičnih – zanašajo se na niz delno naključnih interakcij, ki jih je mogoče upravljati le statistično. Ker večino funkcij izvajajo beljakovine, običajen način delovanja celice za izvajanje nekaterih operacij vključuje proizvodnjo več ali manj encima, ki ga izvaja. Ta sistem je razmeroma počasen; tudi težje ga je razveljaviti, saj bo večina beljakovin prenehala delovati šele, ko se uničijo.
Učinke fosforilacije beljakovin lahko odpravi encim, imenovan fosfataza. Ta proces se imenuje defosforilacija. Defosforilacija deluje skoraj enako kot fosforilacija. Vsak proces od drugega zahteva, da je koristen. Zaradi možnosti hitrega fosforiliranja in nato defosforilacije je ta pot bolj fino sredstvo za nadzor kot proces generiranja novih beljakovin iz DNK in RNA. Vsota obeh procesov, vključno s signali, ki sodelujejo pri njihovem dokončanju, se imenuje fosforegulacija.