La ubiquitinación es el proceso de unir ubiquitina, una pequeña proteína reguladora funcional, a otra molécula objetivo. Al igual que la fosforilación, la ubiquitinación puede agregar sitios de actividad a una molécula o cambiar el papel de esa molécula dentro del cuerpo, aunque la asociación más común que tienen los científicos con este proceso es que marca las proteínas objetivo para su degradación. Después de que una molécula ha pasado por el proceso de ubiquitinación más de una vez, esa molécula se marca para la digestión a través del proteasoma. La ubiquitinación ayuda a un organismo a rastrear el uso de una molécula para que sea más probable que la molécula sea digerida cuando ha estado en circulación durante mucho tiempo.
La ubiquitina se une a los grupos de lisina de las proteínas diana mediante la actividad de la ubiquitina ligasa (E3) y una enzima conjugadora de ubiquitina (E2). Estas proteínas facilitan la activación y adherencia de la ubiquitina ya sea directamente a la proteína diana o a otras proteínas de ubiquitina que ya se han unido a la proteína diana. Algunas proteínas se ubiquinizan solo una vez, creando un grupo funcional adicional en el sitio de la lisina. Algunas enzimas son capaces de unirse a la ubiquitina, por lo que una sola instancia de ubiquitinación en una proteína no la marca necesariamente para su degradación a través de la vía del proteasoma. Más bien, la función de la proteína diana puede ser alterada por un único adherente de ubiquitina debido a la adición de un nuevo grupo funcional o sitio de unión enzimática.
Cuando una cadena de más de una molécula de ubiquitina se une a la misma proteína diana, ya sea que la cadena esté unida en masa o unida a través de múltiples fases de una única instancia de ubiquitinación, se dice que esa proteína está poliubiquinada. Las cadenas de poliubiquitinación no tienen ningún propósito conocido, excepto para marcar proteínas diana para su degradación. Los casos únicos de ubiquitinación en diferentes partes de la misma molécula no forman cadenas de poliubiquitinación y no marcan necesariamente la proteína diana para la digestión a través del proteasoma.
La ubiquitina se encuentra en casi todos los tejidos de los organismos eucariotas y se puede encontrar etiquetada con casi cualquier proteína, por lo que se le da un nombre que vagamente significa «proteína que está en todas partes». Se puede etiquetar con cualquier proteína que contenga un grupo de lisina disponible. Es evolutivamente ventajoso para todas las células de organismos eucariotas aprovechar el proceso de ubiquitinación porque elimina las proteínas rotas, desgastadas o subfuncionales de la circulación antes de que las proteínas dejen de funcionar por completo. Un sistema que elimina de manera preventiva las proteínas y las etiqueta para el reciclaje de proteínas mantiene las células sanas a nivel celular individual, lo que proporciona la razón de la conservación evolutiva y la ubicuidad de este proceso.