W 1994 roku dwaj Amerykanie, Martin Rodbell i Alfred Gilman otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii za odkrycie tzw. białek G i wyjaśnienie ich roli w przekazywaniu informacji w obrębie komórki. Badacze ci wykazali m.in., że przepływ informacji od receptora do efektora odbywa się przy udziale jednego uniwersalnego mechanizmu, w którym pośredniczą właśnie białka G, bez względu na różnice w budowie pierwotnej substancji sygnalizacyjnej.

Receptory związane z białkami G stanowią największą i najbardziej funkcjonalnie zróżnicowaną grupę. Opisano ich setki rodzajów na komórkach zwierząt. Są to m.in. receptory dla neuromodulatorów i neuroprzekaźników, niektórych hormonów i rodopsyny.

Receptory te kontrolują następujące procesy:

– aktywność fosfolipazy C oraz syntezę jej wtórnych przekaźników,

– aktywność cyklazy adenylowej i syntezę cAMP,

– kanały jonowe (np. maxi-K, Ca),

– aktywność fosfolipazy A2, a więc kaskadę kwasu arachidonowego,

– aktywność fosfodiesterazy cGMP (w przypadku rodopsyny).

Pomimo, że tak jak już wspomniano, pobudzające cząsteczki sygnałowe mogą być bardzo różnorodne, to wszystkie współpracujące z białkami G receptory mają identyczny plan budowy. Każdy z tych receptorów ma mianowicie postać a-helisy siedmiokrotnie przebijającej dwuwarstwową błonę białkowo-lipidową. Po związaniu się substancji sygnalizacyjnej z zewnątrzkomórkową częścią receptora dochodzi do zmiany konformacji jego części wewnątrzkomórkowej, co umożliwia oddziaływanie z białkiem G. Najbardziej znanym receptorem o takiej budowie jest receptor b₂, lecz podobnie zbudowane są też inne receptory adrenergiczne, większość cholinergicznych, receptory histaminowe i wiele innych.

Wszystkie białka G mają podobnie, jak receptory z nimi związane identyczny plan budowy i tworzą rodzinę trójpodjednostkowych, homologicznych białek wiążących i hydrolizujących GTP. Złożone są mianowicie z 3 podjednostek: a, b i g. Klasyfikacja białek G zaproponowana przez Heplera i Gilmana oparta jest na właściwościach podjednostki a. Zgodnie z tym podziałem wyróżnia się cztery typy białek G: G_s, G_i, G_q i G₁₂.

Nie wdając się w szczegółowe różnice pomiędzy tymi typami stwierdzić można, że podjednostka a w stanie niepobudzonym połączona jest z cząsteczką GDP, co powoduje, że białko G jako całość jest nieaktywne (o czym była mowa w poprzedniej części tego opracowania). Związanie ligandu przez receptor prowadzi do wymiany cząsteczki GDP na GTP. Powoduje to rozpad białka G na dwie składowe – kompleksy a-GTP i bg, które mogą swobodnie dyfundować w płaszczyźnie błony komórkowej. Oba powstałe kompleksy, które są aktywne, oddziaływać mogą z kolei z innymi cząsteczkami białkowymi, rozlokowanymi w błonie komórkowej, a te przenoszą sygnał jeszcze dalej do ostatecznych miejsc przeznaczenia, tworząc opisywane w poprzednim odcinku kaskady sygnalizacyjne.

Czas funkcjonalnej aktywności składowych białek G jest uwarunkowany wewnętrzną zdolnością podjednostki a do hydrolizy związanego z nią GTP z powrotem do GTP. Gdy hydroliza ta dojdzie do skutku, cząsteczki a oraz bg łączą się ponownie w nieaktywne biologicznie białko G.

Przy okazji warto zauważyć, że aktywność receptora utrzymuje się tak długo, jak długo związana jest z nim cząsteczka sygnałowa, co wiąże się z kolei z możliwością „równoczesnej” aktywacji nawet tysięcy cząsteczek białek G, prowadząc do amplifikacji odebranego sygnału.

Białkami docelowymi dla aktywnych składowych białek G mogą być kanały jonowe lub enzymy zlokalizowane w błonie komórkowej.

W tym przypadku po związaniu się fragmentu białka G dochodzi do otwarcia lub zamknięcia kanału jonowego. Dobrym przykładem jest tutaj mechanizm regulacji częstości akcji serca przez układ przywspółczulny. Uwolniona acetylocholina wiąże się z receptorem M, aktywacji i rozpadowi ulega białko G, a powstały na tej drodze kompleks bg łączy się z cytoplazmatycznym fragmentem kanału potasowego komórki mięśnia sercowego, powodując jego otwarcie. Na skutek powstałych przemieszczeń jonowych dochodzi w następstwie do zwolnienia akcji serca. Hydroliza GTP związanego z cząsteczką a powoduje ponowne przejście białka G w stan nieaktywny, a kanał jonowy ulega zamknięciu.

Innym przykładem kanałów jonowych regulowanych przez białka G są kanały maxi-K, w obrębie mięśniówki gładkiej drzewa oskrzelowego. Związanie b₂-agonisty przez receptor prowadzi do zamknięcia tych kanałów. Prowadzi to do wzrostu stężenia potasu w komórce, przez co staje się ona mniej wrażliwa na inne bodźce mogące wywołać jej skurcz. Pośrednio prowadzi to też do spadku stężenia potasu w surowicy krwi, co jest znanym objawem ubocznym obserwowanym po zastosowaniu b₂-agonistów.

Najczęstszymi enzymami docelowymi dla białek G są cyklaza adenylowa i fosfolipaza C.

W przeciwieństwie do bardzo szybkiej odpowiedzi komórki po oddziaływaniu białek G z kanałami jonowymi, po ich związaniu się z enzymem, odpowiedź ta jest znacznie wolniejsza i bardziej złożona, gdyż stanowi najczęściej dopiero początek całej, często złożonej kaskady sygnalizacyjnej.