חלבון G

חלבוני G (באנגלית ידועים גם כ-guanine nucleotide-binding proteins) הם חלבונים השייכים לקבוצת אנזימי GTPases ומשתתפים במסלולי מעבר אותות בתא, שהם מסלולי בקרה תוך־תאיים אשר מופעלים בתגובה לאותות חיצוניים. שמם נובע מיכולתם לקשור GTP, גואנין אליו מחוברים 3 מולקולות זרחה. חלבוני G מתווכים תהליכים רבים ברמה התאית. ישנם כ-1000 קולטנים שונים בגוף האדם המשתמשים בחלבוני G לצורך העברת אותות אל פנים התא. בין יתר פעילויותיהן, חלבוני G מעורבים במסלולי הקליטה של פוטונים, של ריחות, של הורמונים ושל נוירוטרנסמיטורים.
אלפרד גילמן ומרטין רודבל היו חוקרים אשר גילו וחקרו את החלבון ועל כך הוענק להם פרס נובל בשנת 1994.

שפעולם

לאחר קישור סלקטיבי של מולקולת סיגנל-ראשוני לקולטן המצומד לחלבון G, המכונה גם GEF ונמצא על פני הממברנה של התא, יש השראה של שינוי מבני בו וכתוצאה מכך שפעולו. שפעול זה משרה שינוי קונפורמציה גם בחלבון G וכך לשחרור ה-GDP. כיוון שיש בתא פי עשרה יותר GTP לעומת GDP, הסבירות שה-GDP שהשתחרר יוחלף ב-GTP היא גבוהה יחסית. אם אכן הוחלף ל-GTP, חלבון ה-G משופעל והקישור לקולטן המצומד לחלבון G נחלש, ולכן חלבון ה-G ניתק מהקולטן. 
קיימים חילוקי דעות לגבי מנגנון השפעול הספציפי; המנגנון הקלאסי אומר ששפעול חלבון G מתבטא בכך שתת-יחידת אלפא קושרת GTP במקום GDP ונפרדת מיחידות בטא וגמא. במצב זה, תת-יחידה אלפא פעילה ויכולה לשפעל אנזימים שונים ולהמשיך את תגובת השרשרת בתא וכן תת-יחידות בטא-גמא יכולות לשפעל חלבונים אחרים. יחד עם זה, מחקרים מאוחרים יותר הראו שאין הכרח בהיפרדות של תת-היחידות. השליח השניוני של חלבון ה-G, וכך גם פעולתו, משתנה לפי תתי־היחידות הספציפיות שמשופעלות, בין היתר החלבונים שמופעלים הם אדנילאט ציקלאז, תעלות יונים ופוספוליפאז C.
בטא-גמא חשובים בין היתר לבקרה ולהפסקת האות ולהפעלה של חלבונים. הסימן הראשון לתת-יחידות אלה גם תפקיד הגיע משינויים בשריר הלב כתוצאה מגירויים פאראסימפתטיים. במקרה זה, השליחים השניוניים שנצפו לא היו מסיסים, אולם היה ידוע באותה העת כי הפעילות הזו מתווכת באמצעות חלבוני ה-G. השינוי הוא בהכנסה של אשלגן לתא, על ידי תעלות אשלגן, וזו מתווכת באמצעות חלבון ה-G.
באותה עת, נמצא גם שתת-היחידות בטא-גמא יכולות להפעיל איזופורמים מסוימים של פוספוליפאז C וכן פוספוליפאזים אחרים.

הפסקת הפעילות

לתת־יחידה Gα יש גם פעילות של GTPase, אך הקצב הקטליטי שלה נמוך ולכן רק לאחר זמן מה היחידה Gα מעודדת את פירוק ה-GTP ל-GDP+Pi. כאשר Gα קושרת שוב GDP, בעקבות הפירוק, היא חוזרת לקונפורמציה הקודמת והלא פעילה. נוסף על כך, שפעול של חלבונים משפעלי GTPase‏ (Regulator of G protein signalling או RGS) מאיץ את פעילות ה-GTPase, ובכך מזרז חזרה למצב הלא פעיל של החלבון. לאחר פירוק ה-GTP, יכול להתחיל מחזור העברת סיגנלים חדש. 
רבים מחלבוני ה-G מפעילים במישורין או בעקיפין חלבונים שעוצרים את פעולת חלבוני ה-G. גם לחלבונים המונומרים יש חלבונים המבקרים את פעולתם ומפרקים את ה-GTP, והם מכונים GAP. בנוסף קיימות בקרות על הפעילות של החלבונים על ידי קינאזות של קולטן המצומד לחלבון G, שגורמים להפסקת השפעול של חלבוני G נוספים.

חלבונים המונומרים

חלבונים אלה התגלו לראשונה בגלל פעילותם בוויסות מחזור התא ולכן פגיעה בהם עלולה להתבטא בפעילות סרטנית של התא. 
מנגנון הפעולה של חלבונים אלה דומה למנגנון של החלבונים ההטרוטרימרים. שפעולם נעשה באמצעות החלפה של GDP ב-GTP. ההחלפה נעשית באמצעות שחרור של ה-GDP, וכיוון שריכוזו של GTP בתא גבוה יחסית, לרוב נקשר GTP בעקבות השחרור. בצורה דומה לחלבונים ההטרוטרימרים, פירוק של ה-GTP באמצעות פעילות ה-GTPase של החלבון גורמת להפסקת הפעילות, וזו יכולה להיות מואצת באמצעות חלבוני GAP. יחד עם זה, יש שוני מסוים בין חלבונים אלה לחלבונים ההטרוטרימרים, שמתבטא בחלבוני מעכבים, Guanosine nucleotide dissociation inhibitors (או GDI), אשר שומרים את החלבון במצבו הלא-פעיל.

החלבונים ההטרוטרימרים

המבנה של החלבונים ההטרוטרימרים מורכב מ-3 תתי־יחידות: אלפא (α), בטא (β) וגמא (γ). תת-יחידות בטא וגמא מחוברים ביניהם בקשר Coiled coil, קשר חזק שבו יש ליפוף של שני סלילי אלפא אחד סביב השני. בתת-יחידה אלפא יש אתר שקושר GTP וכן מתחם לו יש פעילות של פירוק GTP ל-GDP ‏(GTPase). צורתה של תת-יחידה בטא הוא כשל פרופלור, והיא מורכבת ממשטחי בטא רבים.
הקצה הקרבוקסילי של תת-יחידה אלפא נקשר לקולטן המצומד לחלבון G, והוא שיוצר את הספציפיות של הקולטן. הקצה האמיני של תת-יחידה הוא שנקשר לתת־יחידות בטא-גמא. תת-יחידה אלפא יוצרת שני מתחמים נפרדים. לאחד מבנה דומה ל-Ras, והשני בנוי מהליקסים רבים ששונה מהחלבונים המונומרים. האזור השני משתנה מאוד בין תת-יחידות האלפא השונות. תת-יחידה אלפא קשורה לממברנת התא באמצעות מודיפיקציה בה מוסף ליפיד לחלבון. תת-יחידה גמא קשורה אף היא לממברנה באותה צורה. לעומת זאת לתת־יחידה בטא אין מודיפיקציה דומה, והיא מחוברת בעקיפין, על ידי קשרי ה-Coiled coil שדרכם היא מחוברת לתת־יחידה גמא.

החלבונים המונומרים

חלבונים אלה מורכבים משרשרת פפטידית אחת, המורכבת מכ-190 חומצות אמינו. בדומה לחלבונים הטרימריים, גם חלבונים אלה מחוברים באמצעות התמרה שומנית בקצה הקרבוקסילי לקרום התא. החלבונים המונומרים יכולים לקשור GTP או GDP, וגם להם פעילות של GTPase. למעשה, חלבונים אלה הומולוגיים לתת־היחידה אלפא של החלבונים הטרימרים, מלבד העובדה שהם יכולים לפעול בלא תלות בתת-יחידות אחרות.

מחלות הקשורות לפעילות חלבוני G

פעילות חלבוני G הכרחית למספר מסלולי העברת אותות בתא. בין המחלות שקשורות לתפקוד לא תקין של החלבון הן כולרה, הן שעלת והן מחלות אחרות.