As proteínas podem sofrer muitos tipos de modificações pós-translacionais, muitas vezes em resposta a mudanças no seu ambiente. Essas modificações desempenham um papel importante na função e estabilidade dessas proteínas. Moléculas ligadas covalentemente incluem grupos funcionais, como grupos metilo, acetilo, e fosfato, e também pequenas proteínas, como a ubiquitina. Existem cerca de 200 tipos diferentes de reguladores covalentes que foram identificados.

Estes grupos modificam aminoácidos específicos em uma proteína. Os grupos fosfato só podem ser ligados covalentemente aos aminoácidos serina, treonina, e tirosina, enquanto que os grupos metilo e acetilo só podem ser ligados a lisina. Estes grupos são adicionados e removidos de uma proteína por uma enzima ou par de enzimas. Por exemplo, uma acetiltransferase adiciona um grupo acetilo a uma proteína, e uma desacetilase pode removê-lo. Cada um destes modificadores pode ter efeitos diferentes na proteína à qual está ligado, dependendo do número e localização das modificações. Quando uma única molécula de ubiquitina está covalentemente ligada a um determinado receptor de superfície celular, essa proteína é direcionada para a endocitose; por outro lado, quando várias ubiquitinas ligadas entre si estão ligadas a essa proteína, ela é marcada como alvo para degradação proteolítica.

Uma única proteína pode sofrer múltiplas modificações em simultâneo para controlar a sua função. Um exemplo bem conhecido de uma proteína regulada por múltiplas modificações covalentes é a proteína supressora tumoral, p53. p53 sofre uma variedade de modificações em resposta a vários tipos de stress, incluindo radiação e agentes carcinogénicos. Algumas modificações incluem fosforilação, acetilação, e sumoilação em resposta a radiações UV e gamma. Os locais e os tipos de modificações podem variar dependendo do factor de stress. Estudos demonstraram que radiações UV e gamma podem resultar na fosforilação da serina 33, mas a serina 392 pode ser fosforilada quando exposta a radiação UV, mas não a radiação gamma. Outros tipos de stress, como exposição a hipóxia, anti‐metabolitos, e actinomicina D, podem resultar na acetilação da p53. As modificações também podem variar entre diferentes tipos de células e organismos.