Valkude ubikvitineerimine on regulatiivne protsess, mis toimub rakus valgu molekulide lagundamiseks. Protsessi käigus kinnituvad väikesed valgud, mida nimetatakse ubikvitiinideks, lagundatavate valgu molekulide külge. Need ubikvitiini molekulid annavad tõhusalt signaali valgu lagunemisest proteosoomi või valgu lagundaja poolt. Valkude ubikvitineerimisel on mitu etappi, mis kõik on normaalsete rakuprotsesside jaoks olulised, kuna rakud loovad ja lagundavad pidevalt uusi valke vastuseks keskkonnamuutustele.
Esiteks tuleb ubikvitiini molekul aktiveerida, et märgistada teisi valke, mis viiakse läbi ubikvitiini aktiveeriva ensüümi E1 abil. See valkude ubikvitineerimise etapp on energiast sõltuv, mis tähendab, et rakk kulutab energiat adenosiintrifosfaadi (ATP) kaudu. E2 ehk ubikvitiini konjugeerivat ensüümi kasutatakse protsessi teises etapis, kus toimub teine keemiline reaktsioon, mida nimetatakse transtioesterdamiseks.
Kui ubikvitiin on need kaks etappi läbinud, seondub see E3 ehk ubikvitiin-valgu ligaasiga. Inimese rakkudes on üle 100 E3 ensüümi, millest igaüks on spetsiifiline ühe valgu suhtes, mida tuntakse substraadi või sihtvalguna. Kuna seal on ka palju E2 molekule, võimaldavad kolme peamise ensüümi erinevad kombinatsioonid iga substraadi puhul kõrget spetsiifilisust. See aitab rakul hoolikalt jälgida intratsellulaarseid tingimusi ja sujuvamaks muuta lagundamiseks valkude valimist. Aktiveeritud E3 ensüüm seondub nii substraadi kui ka ubikvitiini molekuliga, ühendades need kaks molekuli ja jätkates valkude ubikvitineerimist kogu rakus.
Tavaliselt on vaja vähemalt kolme või nelja ubikvitiini molekuli, et anda märku proteosoomi poolt lagunevast valgu substraadist. Valkude edasist ubikvitineerimist saab sageli saavutada sama E3 abil, mis käivitab ubikvitiini molekuli esimese lisamise. Kui substraadil on piisavalt pikk ubikvitiini ahel, ümbritseb proteosoom selle ja lagundab selle tagasi aminohapeteks, suuremate valkude ehitusplokkideks.
Valkude ubikvitineerimine ei anna alati signaali molekuli lagunemisest. Ubikvitiini molekulid suunavad mõnikord substraadi liikuma raku teise ossa, samas kui mõnikord muudavad nad lihtsalt selle funktsiooni. Kui ubikvitiini nendel signaalieesmärkidel kasutatakse, esineb see tavaliselt ainult ühe ühendatud ühikuna, kuigi on mõned harvad juhud, kus rohkem kui üks ubikvitiini molekul siiski toimib modifitseerivalt, mitte lagunevalt. Rakud sisaldavad ka spetsiaalseid ensüüme, mida tuntakse deubikvitinaasidena, mis võivad eemaldada märgistatud valkudest ubikvitiini molekulid ja protsessi ümber pöörata.