Ubiquitinierung ist der Prozess der Anlagerung von Ubiquitin, einem kleinen, funktionellen regulatorischen Protein, an ein anderes Zielmolekül. Wie die Phosphorylierung kann die Ubiquitinierung einem Molekül Aktivitätsstellen hinzufügen oder die Rolle dieses Moleküls im Körper verändern. Nachdem ein Molekül den Ubiquitinierungsprozess mehr als einmal durchlaufen hat, wird dieses Molekül dann für die Verdauung durch das Proteasom markiert. Ubiquitinierung hilft einem Organismus, die Verwendung eines Moleküls zu verfolgen, so dass das Molekül eher verdaut wird, wenn es für lange Zeit im Umlauf war.
Ubiquitin bindet an Lysingruppen von Zielproteinen durch die Aktivität der Ubiquitin-Ligase (E3) und eines Ubiquitin-konjugierenden Enzyms (E2). Diese Proteine erleichtern die Aktivierung und Anheftung von Ubiquitin entweder direkt an das Zielprotein oder an andere Ubiquitinproteine, die bereits an das Zielprotein angelagert wurden. Einige Proteine werden nur einmal ubiquiniert, wodurch eine zusätzliche funktionelle Gruppe an der Lysinstelle entsteht. Einige Enzyme sind in der Lage, an Ubiquitin zu binden, so dass eine einzelne Ubiquitinierung eines Proteins es nicht unbedingt für den Abbau durch den Proteasom-Weg markiert. Vielmehr kann die Funktion des Zielproteins durch das Hinzufügen einer neuen funktionellen Gruppe oder einer enzymatischen Bindungsstelle durch ein einzelnes Ubiquitin-Adhärent verändert werden.
Wenn eine Kette aus mehr als einem Ubiquitin-Molekül an dasselbe Zielprotein anlagert, unabhängig davon, ob die Kette en masse oder über mehrere Phasen einer einzigen Ubiquitinierungsinstanz angehängt wird, wird dieses Protein als polyubiquiniert bezeichnet. Polyubiquitinierungsketten dienen keinem bekannten Zweck, außer der Markierung von Zielproteinen für den Abbau. Einzelne Ubiquitinierungsfälle an verschiedenen Teilen desselben Moleküls bilden keine Polyubiquitinierungsketten und markieren nicht notwendigerweise das Zielprotein für die Verdauung durch das Proteasom.
Ubiquitin kommt in fast allen Geweben eukaryontischer Organismen vor und kann mit fast jedem Protein versehen gefunden werden, daher wird ihm ein Name gegeben, der lose „Protein, das überall ist“ bedeutet. Es kann mit jedem Protein markiert werden, das eine verfügbare Lysingruppe enthält. Für alle Zellen eukaryontischer Organismen ist es evolutionär vorteilhaft, den Prozess der Ubiquitinierung zu nutzen, da er kaputte, abgenutzte oder subfunktionelle Proteine aus dem Kreislauf entfernt, bevor die Proteine vollständig aufhören zu funktionieren. Ein System, das Proteine präventiv aus dem Gebrauch nimmt und sie für das Proteinrecycling markiert, hält die Zellen auf individueller zellulärer Basis gesund und liefert den Grund für die evolutionäre Konservierung und Allgegenwart dieses Prozesses.