Ubiquitinasi protein adalah proses pengaturan yang terjadi di dalam sel untuk mendegradasi molekul protein. Selama proses tersebut, protein kecil yang dikenal sebagai ubiquitins menempel pada molekul protein yang akan didegradasi. Molekul ubiquitin ini secara efektif memberi sinyal protein untuk degradasi oleh proteosom, atau pengurai protein. Ada beberapa langkah dalam ubiquitinasi protein, yang semuanya penting untuk proses seluler normal, karena sel terus-menerus membuat dan mendegradasi protein baru sebagai respons terhadap perubahan lingkungan.
Pertama, molekul ubiquitin harus diaktifkan untuk memberi label pada protein lain, langkah yang dilakukan oleh enzim pengaktif ubiquitin, E1. Langkah dalam ubiquitinasi protein ini bergantung pada energi, artinya memerlukan sel untuk mengeluarkan energi melalui adenosin trifosfat (ATP). E2, atau enzim konjugasi ubiquitin, digunakan pada langkah kedua dalam proses, di mana reaksi kimia lain yang dikenal sebagai transtioesterifikasi terjadi.
Setelah ubiquitin melewati dua langkah ini, ia mengikat E3, atau ligase protein ubiquitin. Ada lebih dari 100 enzim E3 dalam sel manusia, yang masing-masing spesifik untuk satu protein, yang dikenal sebagai substrat atau protein target. Karena ada juga banyak molekul E2, berbagai kombinasi dari tiga enzim utama memungkinkan tingkat spesifisitas yang tinggi untuk setiap substrat. Ini membantu sel secara hati-hati memantau kondisi intraseluler dan merampingkan proses pemilihan protein untuk degradasi. Enzim E3 yang diaktifkan akan mengikat substrat dan molekul ubiquitin, bergabung dengan dua molekul dan membawa protein ubiquitinasi ke seluruh sel.
Setidaknya tiga atau empat molekul ubiquitin biasanya diperlukan untuk memberi sinyal pada substrat protein yang akan didegradasi oleh proteosom. Ubiquitinasi protein lebih lanjut sering dapat dicapai dengan E3 yang sama yang memulai penambahan pertama molekul ubiquitin. Setelah substrat memiliki rantai ubiquitin yang cukup panjang, proteosom akan membungkusnya dan mendegradasinya kembali menjadi asam amino, bahan penyusun protein yang lebih besar.
Di mana-mana protein tidak selalu menandakan molekul untuk degradasi. Molekul ubiquitin kadang-kadang mengarahkan substrat untuk pindah ke bagian lain dari sel, sementara di lain waktu mereka hanya akan mengubah fungsinya. Ketika ubiquitin digunakan untuk tujuan sinyal ini, umumnya hadir sebagai hanya satu unit yang terpasang, meskipun ada beberapa kasus langka di mana lebih dari satu molekul ubiquitin masih akan bertindak untuk memodifikasi, bukan untuk menurunkan. Sel juga mengandung enzim khusus yang dikenal sebagai deubiquitinase yang dapat menghilangkan molekul ubiquitin dari protein berlabel dan membalikkan prosesnya.