Ubikvitinaatio on prosessi, jolla ubikitiini, pieni, toiminnallinen säätelyproteiini, kiinnitetään toiseen kohdemolekyyliin. Kuten fosforylaatio, myös ubikvitinaatio voi lisätä aktiivisuuspaikkoja molekyyliin tai muuttaa kyseisen molekyylin roolia kehossa, vaikka yleisin tutkijoiden assosiaatio tällä prosessilla on, että se merkitsee kohdennettuja proteiineja hajoamiseen. Kun molekyyli on käynyt läpi ubikvitinaatioprosessin useammin kuin kerran, kyseinen molekyyli merkitään sitten digestoitavaksi proteasomin kautta. Ubikvitinaatio auttaa organismia seuraamaan molekyylin käyttöä niin, että molekyyli sulatetaan todennäköisemmin, kun se on ollut liikkeessä pitkään.
Ubikvitiini kiinnittyy kohdeproteiinien lysiiniryhmiin ubikitiiniligaasin (E3) ja ubikitiinia konjugoivan entsyymin (E2) aktiivisuuden kautta. Nämä proteiinit helpottavat ubikitiinin aktivoitumista ja kiinnittymistä joko suoraan kohdeproteiiniin tai muihin ubikitiiniproteiineihin, jotka on jo liitetty kohdeproteiiniin. Jotkut proteiinit ovat kaikkialla vain kerran, mikä luo ylimääräisen funktionaalisen ryhmän lysiinikohtaan. Jotkut entsyymit kykenevät sitoutumaan ubikitiiniin, joten yksittäinen esiintyminen proteiinissa ei välttämättä merkitse sitä hajoamaan proteasomireitin kautta. Pikemminkin kohdeproteiinin toimintaa voidaan muuttaa yhdellä ubikitiinillä, joka on kiinnittynyt uuden funktionaalisen ryhmän tai entsymaattisen sitoutumiskohdan lisäämisen vuoksi.
Kun useampaan kuin yhteen ubikvitiinimolekyyliin liittyvä ketju kiinnittyy samaan kohdeproteiiniin riippumatta siitä, onko ketju kiinnittynyt massana vai kiinnittynyt yhden ubikvitinaatiotapahtuman useiden vaiheiden kautta, kyseisen proteiinin sanotaan olevan polyubikvinoitu. Polyubikvitinaatioketjuilla ei ole tunnettua tarkoitusta, paitsi kohdeproteiinien merkitseminen hajoamista varten. Yksittäiset ubikvitinaatiotapaukset saman molekyylin eri osissa eivät muodosta polyubikvitinaatioketjuja eivätkä välttämättä merkitse kohdeproteiinia proteasomin kautta tapahtuvaa hajoamista varten.
Ubikitiinia esiintyy lähes kaikissa eukaryoottisten organismien kudoksissa, ja se voidaan tunnistaa melkein mihin tahansa proteiiniin, joten sille annetaan nimi, joka tarkoittaa löyhästi ”proteiinia, joka on kaikkialla”. Se voidaan merkitä mihin tahansa proteiiniin, joka sisältää käytettävissä olevan lysiiniryhmän. On evoluutiosti edullista, että kaikki eukaryoottisten organismien solut hyödyntävät ubikvitinaatioprosessia, koska se poistaa rikkoutuneet, kuluneet tai vajaatoimiset proteiinit liikkeestä ennen kuin proteiinit lakkaavat toimimasta kokonaan. Järjestelmä, joka poistaa ennaltaehkäisevästi proteiinit käytöstä ja merkitsee ne proteiinien kierrätykseen, pitää solut terveinä yksittäisten solujen perusteella ja tarjoaa syyn tämän prosessin evoluution säilyttämiseen ja kaikkialla läsnäoloon.