La phosphorylation des protéines est la fixation d’un groupe phosphate (PO4) à une protéine. Le nouveau groupe phosphore modifie le rôle de la protéine : il peut activer, désactiver ou provoquer un changement de fonction. La phosphorylation des protéines est assez courante dans les cellules des organismes procaryotes et eucaryotes. Il permet à la cellule de réguler les fonctions biologiques sans avoir à modifier la quantité réelle de protéines disponibles pour les exécuter.
Une molécule appelée protéine kinase, parfois appelée phosphotransférase, est responsable de l’induction de la phosphorylation des protéines. Il existe de nombreuses protéines kinases différentes, toutes avec des protéines cibles différentes. Souvent, l’activité d’une protéine kinase dépend elle-même de la phosphorylation. Ce processus dépend d’une autre kinase. Parfois, une cellule utilise une chaîne de réactions, appelée cascade de phosphorylation, pour produire un résultat. L’impulsion de ce type d’événement est généralement un signal provenant de l’extérieur de la cellule. Habituellement, l’énergie et le groupe phosphate pour ces opérations proviennent de l’adénosine triphosphate, une caractéristique omniprésente du paysage cellulaire.
Une fois que le nouveau groupe phosphate est ajouté par phosphorylation des protéines, il modifie la structure de sa protéine hôte. La forme d’une protéine entière, appelée sa structure tertiaire, dépend de divers facteurs, dont la charge électrique. La charge négative du groupe phosphate modifie suffisamment la structure tertiaire pour modifier la fonction de la protéine entière. Certaines protéines peuvent être phosphorylées à plusieurs endroits, avec des effets différents résultant de chacune. La phosphorylation ne se produit qu’à des acides aminés spécifiques : sérine, thréonine et tyrosine.
La phosphorylation des protéines est un élément crucial de l’homéostasie biologique. La plupart des processus cellulaires sont stochastiques : ils reposent sur un ensemble d’interactions partiellement aléatoires qui ne peuvent être gérées que statistiquement. Étant donné que la plupart des fonctions sont exécutées par des protéines, la manière habituelle de la cellule d’effectuer certaines opérations consiste à fabriquer plus ou moins de l’enzyme qui l’exécute. Ce système est relativement lent ; il est également plus difficile à défaire, car la plupart des protéines ne cesseront de fonctionner que lorsqu’elles seront détruites.
Les effets de la phosphorylation des protéines peuvent être annulés par une enzyme appelée phosphatase. Ce processus est appelé déphosphorylation. La déphosphorylation fonctionne presque exactement comme la phosphorylation. Chaque processus exige que l’autre soit utile. C’est la possibilité de phosphoryler puis de déphosphoryler rapidement qui fait de cette voie un moyen de contrôle plus fin que le processus de génération de nouvelles protéines à partir d’ADN et d’ARN. La somme des deux processus, y compris les signaux impliqués dans leur achèvement, est appelée phosphorrégulation.