Proteinphosphorylierung ist die Anlagerung einer Phosphatgruppe (PO4) an ein Protein. Die neue Phosphorgruppe verändert die Rolle des Proteins: Sie kann aktivieren, deaktivieren oder eine Funktionsänderung bewirken. Die Proteinphosphorylierung ist in Zellen prokaryontischer und eukaryontischer Organismen ziemlich häufig. Es bietet der Zelle eine Möglichkeit, biologische Funktionen zu regulieren, ohne die tatsächlich verfügbare Menge an Proteinen ändern zu müssen, um sie auszuführen.
Ein Molekül namens Proteinkinase, manchmal auch Phosphotransferase genannt, ist für die Induktion der Proteinphosphorylierung verantwortlich. Es gibt viele verschiedene Proteinkinasen, alle mit unterschiedlichen Zielproteinen. Oft hängt die Aktivität einer Proteinkinase selbst von der Phosphorylierung ab. Dieser Vorgang ist von einer anderen Kinase abhängig. Manchmal verwendet eine Zelle eine Reihe von Reaktionen, die als Phosphorylierungskaskade bezeichnet werden, um ein Ergebnis zu erzielen. Der Anstoß für diese Art von Ereignissen ist in der Regel ein Signal von außerhalb der Zelle. Normalerweise stammen die Energie und die Phosphatgruppe für diese Vorgänge von Adenosintriphosphat, einem allgegenwärtigen Merkmal der Zelllandschaft.
Sobald die neue Phosphatgruppe durch Proteinphosphorylierung hinzugefügt wird, verändert sie die Struktur ihres Wirtsproteins. Die Form eines ganzen Proteins – seine sogenannte Tertiärstruktur – hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der elektrischen Ladung. Die negative Ladung der Phosphatgruppe verändert die Tertiärstruktur ausreichend, um die Funktion des gesamten Proteins zu verändern. Einige Proteine können an mehreren Stellen phosphoryliert werden, wobei sich jeweils unterschiedliche Wirkungen ergeben. Phosphorylierung tritt nur an bestimmten Aminosäuren auf: Serin, Threonin und Tyrosin.
Die Proteinphosphorylierung ist ein entscheidendes Element der biologischen Homöostase. Die meisten zellulären Prozesse sind stochastisch – sie beruhen auf einer Reihe von teilweise zufälligen Wechselwirkungen, die nur statistisch verwaltet werden können. Da die meisten Funktionen von Proteinen ausgeführt werden, besteht die übliche Vorgehensweise der Zelle darin, dass sie mehr oder weniger von dem Enzym, das sie ausführt, herstellt. Dieses System ist relativ langsam; es ist auch schwieriger rückgängig zu machen, da die meisten Proteine erst aufhören zu funktionieren, wenn sie zerstört werden.
Die Auswirkungen der Proteinphosphorylierung können durch ein Enzym namens Phosphatase rückgängig gemacht werden. Dieser Vorgang wird als Dephosphorylierung bezeichnet. Die Dephosphorylierung funktioniert fast genauso wie die Phosphorylierung. Jeder Prozess erfordert, dass der andere nützlich ist. Es ist die Möglichkeit, schnell zu phosphorylieren und dann zu dephosphorylieren, die diesen Weg zu einem feineren Kontrollmittel macht als den Prozess der Erzeugung neuer Proteine aus DNA und RNA. Die Summe der beiden Prozesse, einschließlich der an ihrer Vollendung beteiligten Signale, wird als Phosphoregulation bezeichnet.