Ubikvitinacija beljakovin je regulacijski proces, ki se pojavi v celici za razgradnjo beljakovinskih molekul. Med procesom se majhne beljakovine, znane kot ubikvitini, pritrdijo na beljakovinske molekule, ki jih je treba razgraditi. Te molekule ubikvitina učinkovito signalizirajo protein za razgradnjo s proteosomom ali razgrajevalcem beljakovin. Pri vseprisotnosti beljakovin je več korakov, ki so vsi pomembni za normalne celične procese, saj celice nenehno ustvarjajo in razgrajujejo nove beljakovine kot odziv na spremembe v okolju.
Najprej je treba aktivirati molekulo ubikvitina, da označi druge beljakovine, korak, ki ga izvede encim E1, ki aktivira ubikvitin. Ta korak pri vseprisotnosti beljakovin je energijsko odvisen, kar pomeni, da zahteva, da celica porabi energijo prek adenozin trifosfata (ATP). E2 ali encim, ki konjugira ubikvitin, se uporablja v drugem koraku postopka, kjer pride do druge kemične reakcije, znane kot transtioesterifikacija.
Ko ubikvitin preide ta dva koraka, se veže na E3 ali ubikvitin-proteinsko ligazo. V človeških celicah je več kot 100 encimov E3, od katerih je vsak specifičen za en protein, znan kot substrat ali ciljni protein. Ker obstaja tudi veliko molekul E2, različne kombinacije treh glavnih encimov omogočajo visoko stopnjo specifičnosti za vsak substrat. To pomaga celici, da skrbno spremlja znotrajcelične razmere in poenostavi postopek izbire beljakovin za razgradnjo. Aktivirani encim E3 se bo vezal tako na substrat kot na molekulo ubikvitina, združil obe molekuli in nadaljeval ubikvitinacijo beljakovin po celi celici.
Običajno so potrebne vsaj tri ali štiri molekule ubikvitina, da signalizirajo, da se proteinski substrat razgradi s proteosomom. Nadaljnjo ubikvitinacijo beljakovin je pogosto mogoče doseči z istim E3, ki sproži prvi dodatek molekule ubikvitina. Ko ima substrat dovolj dolgo ubikvitinsko verigo, ga proteosom ovije in razgradi nazaj v aminokisline, ki so gradniki za večje beljakovine.
Vseprisotnost beljakovin ni vedno signal za razgradnjo molekule. Molekule ubikvitina včasih usmerjajo substrat, da se premakne v drug del celice, drugič pa preprosto spremenijo njegovo delovanje. Kadar se ubikvitin uporablja za te signalne namene, je na splošno prisoten samo kot ena pritrjena enota, čeprav obstaja nekaj redkih primerov, ko bo več kot ena molekula ubikvitina še vedno delovala pri spreminjanju, namesto da bi se razgradila. Celice vsebujejo tudi posebne encime, znane kot deubikvitinaze, ki lahko odstranijo molekule ubikvitina iz označenih beljakovin in obrnejo proces.