Die Ubiquitinierung von Proteinen ist ein regulatorischer Prozess, der innerhalb einer Zelle stattfindet, um Proteinmoleküle abzubauen. Dabei heften sich kleine Proteine, sogenannte Ubiquitine, an die abzubauenden Proteinmoleküle. Diese Ubiquitinmoleküle signalisieren dem Protein effektiv zum Abbau durch ein Proteosom oder einen Proteinabbauer. Es gibt mehrere Schritte bei der Ubiquitinierung von Proteinen, die alle für normale zelluläre Prozesse wichtig sind, da Zellen als Reaktion auf Umweltveränderungen ständig neue Proteine bilden und abbauen.
Zunächst muss das Ubiquitin-Molekül aktiviert werden, um andere Proteine zu markieren, ein Schritt, der durch das Ubiquitin-aktivierende Enzym E1 erreicht wird. Dieser Schritt der Ubiquitinierung von Proteinen ist energieabhängig, das heißt, die Zelle muss Energie durch Adenosintriphosphat (ATP) verbrauchen. E2 oder Ubiquitin-konjugierendes Enzym wird im zweiten Schritt des Verfahrens verwendet, wo eine weitere chemische Reaktion, die als Transthioesterifizierung bekannt ist, stattfindet.
Sobald das Ubiquitin diese beiden Schritte durchlaufen hat, bindet es an E3 oder Ubiquitin-Protein-Ligase. In menschlichen Zellen gibt es über 100 E3-Enzyme, von denen jedes spezifisch für ein Protein ist, das als Substrat oder Zielprotein bekannt ist. Da es auch viele E2-Moleküle gibt, ermöglichen die verschiedenen Kombinationen der drei Hauptenzyme eine hohe Spezifität für jedes Substrat. Dies hilft einer Zelle, die intrazellulären Bedingungen sorgfältig zu überwachen und den Prozess der Auswahl von Proteinen für den Abbau zu rationalisieren. Das aktivierte E3-Enzym bindet sowohl an das Substrat als auch an das Ubiquitin-Molekül, verbindet die beiden Moleküle und führt die Ubiquitinierung von Proteinen in der gesamten Zelle durch.
Normalerweise werden mindestens drei oder vier Ubiquitinmoleküle benötigt, um dem Proteinsubstrat zu signalisieren, dass es vom Proteosom abgebaut wird. Eine weitere Ubiquitinierung von Proteinen kann oft durch dasselbe E3 erreicht werden, das die erste Zugabe eines Ubiquitinmoleküls initiiert. Sobald das Substrat eine ausreichend lange Ubiquitinkette hat, umhüllt es das Proteosom und baut es wieder in Aminosäuren ab, die Bausteine für größere Proteine.
Die Ubiquitinierung von Proteinen signalisiert nicht immer ein Molekül zum Abbau. Ubiquitin-Moleküle steuern manchmal ein Substrat, um sich in einen anderen Teil der Zelle zu bewegen, während sie manchmal einfach seine Funktion ändern. Wenn Ubiquitin für diese Signalzwecke verwendet wird, liegt es im Allgemeinen nur als eine angehängte Einheit vor, obwohl es einige seltene Fälle gibt, in denen mehr als ein Ubiquitin-Molekül immer noch modifiziert statt abgebaut wird. Zellen enthalten auch spezielle Enzyme, die als Deubiquitinasen bekannt sind und Ubiquitinmoleküle von markierten Proteinen entfernen und den Prozess umkehren können.