Białka mogą ulegać wielu rodzajom modyfikacji potranslacyjnych, często w odpowiedzi na zmiany w ich środowisku. Modyfikacje te odgrywają ważną rolę w funkcjonowaniu i stabilności tych białek. Cząsteczki kowalencyjnie połączone obejmują grupy funkcyjne, takie jak grupy metylowe, acetylowe i fosforanowe, a także małe białka, takie jak ubikwityna. Zidentyfikowano około 200 różnych typów regulatorów kowalencyjnych.

Grupy te modyfikują określone aminokwasy w białku. Grupy fosforanowe mogą być kowalencyjnie przyłączone tylko do aminokwasów seryny, treoniny i tyrozyny, podczas gdy grupy metylowe i acetylowe mogą być połączone tylko z lizyną. Grupy te są dodawane i usuwane z białka przez enzym lub parę enzymów. Na przykład acetylotransferaza dodaje grupę acetylową do białka, a deacetylaza może go usunąć. Każdy z tych modyfikatorów może mieć różny wpływ na białko, do którego jest przyłączony, w zależności od liczby i lokalizacji modyfikacji. Kiedy pojedyncza cząsteczka ubikwityny jest kowalencyjnie połączona z pewnym receptorem na powierzchni komórki, białko to jest celem endocytozy; Z drugiej strony, gdy wiele połączonych ze sobą ubikwityn jest przyłączonych do tego białka, jest ono oznaczone jako cel degradacji proteolitycznej.

Pojedyncze białko może być poddawane wielu modyfikacjom jednocześnie, aby kontrolować jego funkcję. Jednym z dobrze znanych przykładów białka regulowanego przez wiele modyfikacji kowalencyjnych jest białko supresorowe nowotworu, p53. P53 ulega różnym modyfikacjom w odpowiedzi na różne rodzaje stresu, w tym promieniowanie i czynniki rakotwórcze. Niektóre modyfikacje obejmują fosforylację, acetylację i sumoilację w odpowiedzi na promieniowanie UV i gamma. Miejsca i rodzaje modyfikacji mogą się różnić w zależności od stresora. Badania wykazały, że promieniowanie UV i gamma może powodować fosforylację seryny 33, ale seryna 392 może ulegać fosforylacji pod wpływem promieniowania UV, ale nie promieniowania gamma. Inne rodzaje stresu, takie jak narażenie na niedotlenienie, antymetabolity i aktynomycynę D, mogą powodować acetylację p53. Modyfikacje mogą się również różnić w zależności od typu komórek i organizmów.