Ubiquitinering av proteiner är en reglerande process som sker inom en cell för att bryta ned proteinmolekyler. Under processen fäster små proteiner som kallas ubiquitiner sig till de proteinmolekyler som ska brytas ned. Dessa ubiquitin-molekyler signalerar effektivt proteinet för nedbrytning av en proteosom, eller proteinnedbrytare. Det finns flera steg i ubiquitinering av proteiner, som alla är viktiga för normala cellulära processer, eftersom celler ständigt skapar och bryter ned nya proteiner som svar på miljöförändringar.
Först måste ubiquitinmolekylen aktiveras för att märka andra proteiner, ett steg som utförs av det ubiquitinaktiverande enzymet E1. Detta steg i ubiquitinering av proteiner är energiberoende, vilket innebär att det kräver att cellen förbrukar energi genom adenosintrifosfat (ATP). E2, eller ubiquitin-konjugerande enzym, används i det andra steget i processen, där en annan kemisk reaktion känd som en transtioesterifiering inträffar.
När ubiquitinet har passerat dessa två steg, binder det till E3, eller ubiquitin-proteinligas. Det finns över 100 E3-enzymer i mänskliga celler, som var och en är specifik för ett protein, känt som substratet eller målproteinet. Eftersom det också finns många E2-molekyler, möjliggör de olika kombinationerna av de tre huvudenzymerna en hög grad av specificitet för varje substrat. Detta hjälper en cell att noggrant övervaka intracellulära förhållanden och effektivisera processen att välja proteiner för nedbrytning. Det aktiverade E3-enzymet kommer att binda till både substratet och ubiquitinmolekylen, förenar de två molekylerna och fortsätter ubiquitineringen av proteiner i hela cellen.
Minst tre eller fyra ubiquitinmolekyler behövs vanligtvis för att signalera att proteinsubstratet ska brytas ned av proteosomen. Ytterligare ubiquitination av proteiner kan ofta åstadkommas av samma E3 som initierar den första tillsatsen av en ubiquitin-molekyl. När substratet har en tillräckligt lång ubikvitinkedja kommer proteosomen att omsluta det och bryta ner det tillbaka till aminosyror, byggstenarna för större proteiner.
Ubiquitination av proteiner signalerar inte alltid en molekyl för nedbrytning. Ubiquitin-molekyler styr ibland ett substrat att flytta till en annan del av cellen, medan de andra gånger helt enkelt ändrar dess funktion. När ubiquitin används för dessa signaländamål finns det i allmänhet endast som en ansluten enhet, även om det finns några få sällsynta fall där mer än en ubiquitinmolekyl fortfarande agerar för att modifiera, i motsats till att brytas ned. Celler innehåller också speciella enzymer som kallas deubiquitinaser som kan ta bort ubiquitinmolekyler från märkta proteiner och reversera processen.