Posttranslationsmodifizierung, in einem allgemeineren Sinn kann jeder Unterschied zwischen einem funktionellen Protein und der linearen Polypeptidsequenz, deren Code zwischen dem Initiations- und dem Terminationscodon auf dem Strukturgen liegt, als eine Posttranslationsmodifizierung des Proteins betrachtet werden. Normalerweise wird der Begriff jedoch auf Modifizierungen beschränkt, die die Bildung oder den Bruch von kovalenten Bindungen einschließen. 1) Proteolytische P. sind: – die Einführung von N-Formylmethionin (bei Prokaryonten) bzw. Methionin (bei Eukaryonten) während der Initiation der Proteinbiosynthese als erste Aminosäure; – die Entfernung der Signalsequenz, die für den Transport sekretorischer Proteine durch die Membran des rauen endoplasmatischen Reticulums verantwortlich ist (Signalhypothese); – die Aktivierung von Proenzymen (Zymogenen) (Pepsin, Trypsin, Chymotrypsin); – die Aktivierung des Komplementsystems; – die Proteolyse im Kaskadensystem der Blutgerinnung (Prothrombin); – die Aktivierung von Proteo- und Peptidhormonen (Insulin).

2) Die Anheftung von prosthetischen Gruppen, z.B. die Insertion von Häm in Hämproteine, und das Anheften von Kohlenhydraten zur Bildung von Glycoproteinen; Prenylierung.

3) Die Modifizierung von Aminosäureresten. Durch den genetischen Code werden nur 20 Aminosäuren spezifiziert, man kennt jedoch über 100 unterschiedliche Aminosäurereste von verschiedenen Proteinen. So kommt es etwa zu Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten unter Bildung von Hydroxyprolin- und Hydroxylysinresten im Kollagen; zur Phosphorylierung von Serin zu Phosphoserinresten (Phosphoproteine); zur Adenylierung von Tyrosinresten (Stoffwechselregulation); zur Carboxylierung von Glutamat zu γ-Carboxyglutamatresten (4-Glutamyl-Carboxylase); zur Methylierung, Acetylierung und Phosphorylierung der ε-Aminogruppe von Lysinresten sowie Bildung von Peptidbindungen mit beispielweise Biotin oder Liponsäure; zur Umwandlung von Lysinresten in Desmosin (Elastin). Gelegentlich werden an C-terminalen Resten Amidgruppen gefunden, z.B. Glycinamid. Der Unterschied zwischen der Modifizierung eines Aminosäurerests und der Anheftung einer prosthetischen Gruppe ist manchmal rein semantischer Natur.

Die meisten Aminosäuremodifizierungen finden nach der Abspaltung des Polypeptids vom Ribosom statt und eine große Anzahl von Prozessierungsenzymen (insbesondere jene, die für die Glycosylierung, Disulfidbrückenbildung und Iodierung verantwortlich sind) kommen im endoplasmatischen Reticulum und im Golgi-Apparat vor. Eine limitierte Proteolyse wird im extrazellulären Raum und in sekretorischen Granula durchgeführt. Quervernetzungsreaktionen laufen extrazellulär ab. Einige Aminosäuremodifizierungen werden allerdings bereits auf der Aminoacyl-tRNA-Stufe gebildet oder in der naszierenden Polypeptidkette eingeführt, d.h. noch am Ribosom.