Olbaltumvielu ubikvitinācija ir regulējošs process, kas notiek šūnā, lai noārdītu olbaltumvielu molekulas. Procesa laikā mazie proteīni, kas pazīstami kā ubikvitīni, pievienojas proteīna molekulām, kuras ir jāsadala. Šīs ubikvitīna molekulas efektīvi signalizē par olbaltumvielu sadalīšanos ar proteosomu vai proteīna noārdītāju. Olbaltumvielu ubikvitinācijā ir vairāki soļi, kas visi ir svarīgi normāliem šūnu procesiem, jo šūnas pastāvīgi rada un degradē jaunus proteīnus, reaģējot uz vides izmaiņām.
Pirmkārt, ubikvitīna molekula ir jāaktivizē, lai marķētu citus proteīnus, ko veic ubikvitīnu aktivējošais enzīms E1. Šis proteīnu ubikvitinācijas posms ir atkarīgs no enerģijas, kas nozīmē, ka šūnai ir jātērē enerģija caur adenozīna trifosfātu (ATP). E2 jeb ubikvitīnu konjugējošais enzīms tiek izmantots procesa otrajā posmā, kur notiek cita ķīmiska reakcija, kas pazīstama kā transtioesterifikācija.
Kad ubikvitīns ir izturējis šos divus posmus, tas saistās ar E3 jeb ubikvitīna-proteīna ligāzi. Cilvēka šūnās ir vairāk nekā 100 E3 enzīmu, no kuriem katrs ir specifisks vienam proteīnam, kas pazīstams kā substrāts vai mērķa proteīns. Tā kā ir arī daudz E2 molekulu, dažādas trīs galveno enzīmu kombinācijas nodrošina augstu specifiskuma līmeni katram substrātam. Tas palīdz šūnai rūpīgi uzraudzīt intracelulāros apstākļus un racionalizēt proteīnu atlases procesu degradācijai. Aktivētais E3 enzīms saistās gan ar substrātu, gan ubikvitīna molekulu, savienojot abas molekulas un turpinot proteīnu ubikvitināciju visā šūnā.
Parasti ir nepieciešamas vismaz trīs vai četras ubikvitīna molekulas, lai signalizētu, ka proteosoma noārda proteīna substrātu. Turpmāku olbaltumvielu ubikvitināciju bieži var veikt ar to pašu E3, kas ierosina pirmo ubikvitīna molekulas pievienošanu. Kad substrātam ir pietiekami gara ubikvitīna ķēde, proteosoma to apņems un sadalīs atpakaļ aminoskābēs, kas ir lielāko proteīnu celtniecības bloki.
Olbaltumvielu ubikvitinācija ne vienmēr norāda uz molekulas sadalīšanos. Ubikvitīna molekulas dažreiz virza substrātu, lai tas pārvietotos uz citu šūnas daļu, savukārt citreiz tās vienkārši mainīs tā funkciju. Ja ubikvitīnu izmanto šiem signāla mērķiem, tas parasti ir tikai viena pievienota vienība, lai gan ir daži reti gadījumi, kad vairāk nekā viena ubikvitīna molekula joprojām darbojas, lai mainītu, nevis noārdīsies. Šūnas satur arī īpašus enzīmus, kas pazīstami kā deubikvitināzes, kas var noņemt ubikvitīna molekulas no marķētajiem proteīniem un mainīt procesu.