许多酶类、膜通道和其他靶蛋白的活性都受到磷酸化的调节。这是最常见、最普遍的一种可逆共价修饰调节方式。催化这类反应的酶叫作蛋白激酶。ATP 的末端（γ）磷酸基团被一类蛋白激酶转移到特异的丝氨酸和苏氨酸残基上，被另一类蛋白激酶转移到特异的酪氨酸残基上。蛋白磷酸化反应的受体位于ATP 丰富的细胞内。完全存在于细胞外的蛋白质不受可逆磷酸化调节。

蛋白磷酸酯酶通过催化水解结合在蛋白质上的磷酸基团来逆转激酶所产生的效应。产生未修饰的含羟基的侧链和正磷酸。

在生理条件下，磷酸化和去磷酸化作用实质上是不可逆的。请注意，这两种反应的净结果是ATP 水解为ADP 和Pi，其在细胞条件的自由能变化为-12 kcal/mol。这种高度有利的自由能变化确保了靶蛋白在非磷酸化和磷酸化形式之间的单向循环。这种循环速率依赖于激酶和磷酸酯酶的活性。

由于结构、热力学和动力学等方面的原因，磷酸化作用是控制蛋白质活性的高度有效的方式。

①一个磷酸基团对修饰蛋白质增加了两个负电荷。在未经修饰的蛋白质中的静电相互作用可以被打乱，并形成了新的静电作用。此结构改变能明显改变底物的结合和催化活性。

②一个磷酸基团可以形成三个氢键。其四面体结构使这些氢键相互作用具高度的方向性。(www.daowen.com)

③磷酸化的自由能较大。ATP 提供的-12 kcal/mol 的能量，大约有一半用在使磷酸化不可逆；另一半则保存于磷酸化了的蛋白质中。我们知道，1.36 kcal/mol 的自由能变化相较于平衡常数相差10 倍。因此，磷酸化作用可极大地改变两种不同功能状态的构象平衡，可高达104倍。

④磷酸化和去磷酸化能在不到1 秒内发生，也可以进行数小时。此动力学可以受到调节，以满足生理过程的及时需要。

⑤磷酸化经常产生高度的放大效应。单个活化的激酶能够在很短时间内使数百种靶蛋白发生磷酸化。而且，每个靶酶又能够转换大量的底物分子。

蛋白激酶的特异性程度多种多样。专用蛋白激酶（Dedicated protein kinases）磷酸化一种蛋白质或几种密切相近的蛋白质；而多功能蛋白激酶（Multifunctional protein kinases）修饰许多不同的靶蛋白：其范围宽泛，调节过程多样化。许多磷酸化位点的氨基酸序列比较表明，多功能蛋白激酶识别的序列相近。例如，蛋白激酶A 识别的一致模序为Arg-Arg-X-Ser-Z 或Arg-Arg-X-Thr-Z，其中X 是一个较小的氨基酸残基，Z 是一个较大的疏水氨基酸残基。Ser 或Thr 是磷酸化的位点。应当指出的是，对这些序列的要求并不是绝对的。例如，赖氨酸可以取代其中的一个精氨酸，虽然那样磷酸化效果要差些。人工合成的含一个一致模序的短肽段几乎经常被丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶磷酸化。因此，特异性的主要决定因素是丝氨酸或苏氨酸附近的线性序列。但相距较远的氨基酸残基也对特异性有所贡献。磷酸化位点的可接近性也可能受到蛋白质构象的影响。