จีโปรตีน

จีโปรตีน () หรือ guanine nucleotide-binding proteins เป็นหมู่โปรตีนที่ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โมเลกุลภายในเซลล์ และมีบทบาทในการส่งผ่านสัญญาณจากสิ่งเร้าในรูปแบบต่าง ๆ นอกเซลล์เข้าไปในเซลล์ 
แฟกเตอร์ต่าง ๆ จะควบคุมฤทธิ์ของมันโดยคุมการจับของมันกับ guanosine triphosphate (GTP) และคุมการสลาย GTP ด้วยน้ำให้เป็น guanosine diphosphate (GDP)
เพราะเมื่อมันจับกับ GTP มันจึงจะมีฤทธิ์คือมีสภาพกัมมันต์ และเมื่อมันจับกับ GDP มันก็จะไร้ฤทธิ์คือมีสภาพอกัมมันต์
จีโปรตีนเป็นส่วนของกลุ่มเอนไซม์กลุ่มใหญ่ที่เรียกว่า GTPase

มีจีโปรตีนสองกลุ่ม
กลุ่มแรกทำงานเป็น GTPase ที่เป็นมอนอเมอร์ขนาดเล็ก (monomeric small GTPase) และกลุ่มสองทำงานเป็นคอมเพล็กซ์จีโปรตีนที่มีสามส่วนโดยแต่ละส่วนไม่เหมือนกัน (heterotrimeric G protein)
โดยคอมเพล็กซ์กลุ่มหลังจะมีหน่วยย่อย ๆ คือ แอลฟา (α) บีตา (β) และแกมมา (γ)
อนึ่ง หน่วยย่อยบีตาและแกมมายังอาจรวมเป็นคอมเพล็กซ์แบบไดเมอร์ที่เสถียร โดยเรียกว่า คอมเพล็กซ์บีตา-แกมมา (beta-gamma complex)

จีโปรตีนในเซลล์จะเริ่มทำงาน/เปลี่ยนเป็นสภาพกัมมันต์โดยหน่วยรับ คือ G protein-coupled receptor (GPCR) ที่ทอดข้ามเยื่อหุ้มเซลล์
คือโมเลกุลส่งสัญญาณที่หนึ่งจะจับกับโดเมนภายนอกของ GPCR และโดเมนภายในก็จะเริ่มการทำงานของจีโปรตีน
โดย GPCR ที่ยังไม่เริ่มทำงานบางอย่างได้แสดงแล้วว่า จับคู่อยู่กับจีโปรตีน
แล้วจีโปรตีนก็จะเริ่มลำดับการส่งสัญญาณต่อ ๆ ไปซึ่งในที่สุดมีผลเปลี่ยนการทำงานของเซลล์
GPCR และจีโปรตีนทำงานร่วมกันเพื่อส่งผ่านสัญญาณจากฮอร์โมน จากสารสื่อประสาท และจากแฟกเตอร์ส่งสัญญาณอื่น ๆ เป็นจำนวนมาก

จีโปรตีนควบคุมกลไกต่าง ๆ รวมทั้งเอนไซม์ ช่องไอออน โปรตีนขนส่ง และกลไกการทำงานของเซลล์อื่น ๆ 
ซึ่งเป็นการควบคุมการถอดรหัสยีน การเคลื่อนไหว (motility) การหดเกร็ง (contractility) และการหลั่งสารของเซลล์
ซึ่งก็เป็นการควบคุมหน้าที่ของระบบต่าง ๆ ในร่างกายมากมายรวมทั้งพัฒนาการของตัวอ่อน การเรียนรู้ ความจำ และภาวะธำรงดุล
นักเคมีชีววิทยาชาวอเมริกันสองท่าน (Alfred G. Gilman และ Martin Rodbell) ค้นพบจีโปรตีนเมื่อตรวจสอบการเร้าเซลล์ด้วยเอพิเนฟรีน
แล้วพบว่า เมื่อเอพิเนฟรีนจับกับหน่วยรับ หน่วยรับไม่ได้กระตุ้นให้เอนไซม์ภายในเซลล์เริ่มการทำงานโดยตรง
แต่หน่วยรับกระตุ้นจีโปรตีน ซึ่งเป็นตัวกระตุ้นเอนไซม์
เช่น adenylate cyclase ให้สร้างโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองคือ cyclic AMP
เพราะการค้นพบนี้ นักวิชาการทั้งสองท่านได้ร่วมรับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ปี 1994

รางวัลโนเบลหลายรางวัลได้มอบให้เนื่องกับงานด้านต่าง ๆ เกี่ยวกับการส่งสัญญาณของจีโปรตีนและ GPCR
รวมทั้งสารต้านหน่วยรับ (receptor antagonist), สารสื่อประสาท, การดูดสารสื่อประสาทคืน (neurotransmitter reuptake), G protein-coupled receptors, จีโปรตีน, โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง, เอนไซม์ที่จุดชนวนปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันของโปรตีนเมื่อตอบสนองต่อ cAMP, และกระบวนการทางเมแทบอลิซึมที่เกิดต่อ ๆ มาเช่น การสลายไกลโคเจน (glycogenolysis)
ตัวอย่างรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์เด่น ๆ ที่ให้รวมทั้ง

จีโปรตีนเป็นโมเลกุลถ่ายโอนสัญญาณที่สำคัญในเซลล์
และ "การทำหน้าที่ผิดปรกติของวิถีส่งสัญญาณเนื่องกับ GPCR มีบทบาทในโรคมากมาย เช่น เบาหวาน ตาบอด ภูมิแพ้ โรคซึมเศร้า ความบกพร่องของหัวใจและหลอดเลือด และมะเร็งบางชนิด
มีการประเมินว่า ประมาณ 30% ของเป้าหมายของยาปัจจุบันในเซลล์ก็คือ GPCRs"

จีโนมมนุษย์เข้ารหัส GPCR 800 ชนิดโดยคร่าว ๆ
ซึ่งทำหน้าที่ตรวจจับโฟตอนแสง, ฮอร์โมน, growth factor, ยา, และลิแกนด์ในร่างกายอื่น ๆ 
โดย GPCR ในจีโนมมนุษย์ประมาณ 150 ชนิดยังไม่รู้ว่าทำหน้าที่อะไร

จีโปรตีนเริ่มทำงานโดยหน่วยรับ GPCR และยุติการทำงานโดยโปรตีน RGS (Regulator of G protein signalling)
คือหน่วยรับจะกระตุ้นให้ GTP จับ ซึ่งเริ่มการทำงานของจีโปรตีน
ส่วนโปรตีน RGS จะกระตุ้นการสลายด้วยน้ำของ GTP ให้กลายเป็น GDP ซึ่งยุติการทำงานของจีโปรตีน

คำว่า จีโปรตีน สามารถหมายถึงกลุ่มโปรตีนที่ไม่เหมือนกันสองกลุ่ม คือ
จีโปรตีนที่มีสามส่วนซึ่งแตกต่างกัน และบางครั้งเรียกว่าจีโปรตีนขนาดใหญ่ จะเริ่มทำงานโดย GPCR เป็นโปรตีนที่มีหน่วยย่อย ๆ คือ อัลฟา (α) บีตา (β) และแกมมา (γ)
ส่วนจีโปรตีนขนาดเล็ก (20-25kDa) เป็นส่วนของหมู่โปรตีน Ras ซึ่งเป็นส่วนย่อยของหมู่โปรตีน small GTPase
โปรตีนขนาดเล็กเหล่านี้มีต้นกำเนิดเหมือนกับหน่วยย่อยอัลฟาที่พบในโปรตีนใหญ่ แต่อยู่ในรูปมอนอเมอร์ คือมีแค่ส่วนเดียว
แต่ก็เหมือนกับโปรตีนใหญ่คือ จะจับกับ GTP สลับกับ GDP และมีบทบาทในการถ่ายโอนสัญญาณ

จีโปรตีนที่มีสามส่วนซึ่งแตกต่างกัน (heterotrimer) ชนิดต่าง ๆ จะมีกลไกสามัญร่วมกัน 
คือจะเริ่มทำงานตอบสนองต่อการเปลี่ยนโครงรูปของ GPCR โดยแลก GDP ที่มีกับ GTP แล้วแยกตัวออกเพื่อเริ่มการทำงานของโปรตีนอื่น ๆ ในวิถีการถ่ายโอนสัญญาณโดยเฉพาะ ๆ 
แต่กลไกหลังนี้ จะต่างกันระหว่างโปรตีนต่าง ๆ

จีโปรตีนที่เริ่มทำงานโดยหน่วยรับ จะยึดอยู่กับผิวด้านในของเยื่อหุ้มเซลล์
และประกอบด้วยหน่วยย่อย G และหน่วยย่อย G
มีหน่วยรับ G หลายกลุ่ม เช่น Gα (G stimulatory), Gα (G inhibitory), Gα (G other), 
Gα, และ Gα 
ซึ่งทำการต่างกันต่อโมเลกุลปฏิบัติงาน แต่จะเริ่มทำงานอาศัยกลไกเหมือน ๆ กัน

เมื่อลิแกนด์เริ่มการทำงานของหน่วยรับ คือ G protein-coupled receptor (GPCR)
GPCR จะเปลี่ยนโครงรูปแล้วจึงสามารถทำหน้าที่เป็น guanine nucleotide exchange factor (GEF) ที่แลกให้ GDP เพื่อเอา GTP 
โดย GTP จะจับกับหน่วยย่อย G ของจีโปรตีน เป็นการก่อสภาพกัมมันต์ของโปรตีน นี่เป็นแบบจำลองดั้งเดิม
แล้ว G ก็จะแยกออกจากไดเมอร์คือ G ซึ่งก็เป็นการแยกออกจากหน่วยรับนั่นเอง 
แต่แบบจำลองที่บ่งรายละเอียดอื่น ๆ (molecular rearrangement, reorganization, และ pre-complexing of effector molecules) ก็เริ่มเป็นที่ยอมรับ
ต่อจากนั้น ทั้งหน่วยย่อย G-GTP และ G อาจเริ่มลำดับการส่งสัญญาณ (หรือวิถีโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง) และเริ่มการทำงานของโปรตีนปฏิบัติงานต่าง ๆ

หน่วยย่อย G ในที่สุดก็จะสลาย GTP ที่ยึดอยู่ร่วมกันด้วยน้ำ ให้กลายเป็น GDP อาศัยฤทธิ์เอนไซม์ คือ GTPase ที่มีอยู่ในตัว ทำให้มันสามารถคืนกลับไปยึดกับหน่วยย่อย G และเริ่มวัฏจักรต่อไป

กลุ่มโปรตีนที่เรียกว่า Regulator of G protein signalling (RGSs) และออกฤทธิ์เป็น GTPase-activating proteins (GAPs) เป็นโปรตีนโดยเฉพาะ ๆ สำหรับหน่วยย่อย G โดยเฉพาะ ๆ
โปรตีนเหล่านั้นจะจับกับหน่วยย่อย G แล้วเร่งการสลายด้วยน้ำของ GTP ให้เป็น GDP ซึ่งยุติการถ่ายโอนสัญญาณ
ในบางกรณี โปรตีนปฏิบัติงานเองอาจมีฤทธิ์แบบ GAP อยู่ในตัว ซึ่งช่วยยุติวิถีการถ่ายโอนสัญญาณ
เช่นในกรณีของ phospholipase C-beta ซึ่งมีฤทธิ์แบบ GAP ที่บริเวณ C-terminal
นี่เป็นวิธีการควบคุมหน่วยย่อย G อีกอย่างหนึ่ง
ถึงกระนั้น GAP ก็ไม่ได้มีลำดับกรดอะมิโนโดยเฉพาะเพื่อเริ่มปฏิกิริยาการสลายด้วยน้ำใน G
แต่มันทำงานโดยลดระดับพลังงานการเปลี่ยนสภาพในกระบวนการสลายด้วยน้ำ

G เป็นตัวเริ่มวิถีถ่ายโอนสัญญาณที่อาศัย cAMP 
(cAMP-dependent pathway) โดยกระตุ้น adenylate cyclase ซึ่งเป็นเอนไซม์ที่ยึดอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์ ให้ผลิต cyclic AMP (cAMP) จาก ATP
แล้ว cAMP ก็จะออกฤทธิ์เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง โดยจะมีปฏิสัมพันธ์กับแล้วเริ่มการทำงานของ protein kinase A (PKA) 
จากนั้น PKA ก็จะสามารถทำปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันกับโปรตีนเป้าหมายต่อ ๆ ไปอีกมากมาย

การถ่ายโอนสัญญาณที่อาศัย cAMP เป็นวิถีการถ่ายโอนสัญญาณสำหรับฮอร์โมนหลายอย่างรวมทั้ง

G จะยับยั้งการผลิต cAMP จาก ATP

G จะกระตุ้นเอนไซม์ phospholipase C beta ซึ่งยึดกับเยื่อหุ้มเซลล์ แล้วเอนไซม์ก็จะแยก PIP (ซึ่งเป็น phosphoinositol ที่เยื่อหุ้มเซลล์) ให้เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง 2 ประเภท คือ IP3 (Inositol trisphosphate) และ DAG (diacylglycerol)
วิถี Inositol Phospholipid Dependent Pathway ใช้สำหรับถ่ายโอนสัญญาณสำหรับฮอร์โมนหลายประเภทรวมทั้ง

G มีบทบาทในการส่งสัญญาณของ GTPase ในหมู่ Rho (Rho family GTPase signaling)
ผ่าน guanine nucleotide exchange factor (GEF) ใน RhoGEF superfamily โดยอาศัยโดเมน RhoGEF ที่โครงสร้างโปรตีน
เหล่านี้มีบทบาทควบคุมการเปลี่ยน cytoskeleton ของเซลล์ และดังนั้น จึงมีบทบาทควบคุมการย้ายที่ของเซลล์

คอมเพล็กซ์บีตา-แกมมา บางครั้งก็มีหน้าที่การทำงานอย่างแอ๊กถีฟเหมือนกัน
ตัวอย่างรวมทั้งการจับกับแล้วเริ่มการทำงานของช่อง G protein-coupled inwardly-rectifying potassium channel (GIRK)

GTPases ขนาดเล็กก็ยึดกับ GTP และ GDP ด้วยเหมือนกันและดังนั้น จึงมีบทบาทในการถ่ายโอนสัญญาณ
เป็นโปรตีนที่มีกำเนิดเดียว (homologous) กับกับหน่วยย่อยแอลฟา (α) ที่พบในจีโปรตีนแบบมีสามส่วนซึ่งแตกต่างกัน (heterotrimer) แต่โปรตีนนี้มีส่วนเดียว (มอนอเมอร์)
โปรตีนมีขนาดเล็ก (20-25 kDa) และจับอยู่กับ GTP เมื่อไม่มีฤทธิ์ (ในสภาพอกัมมันต์)
โปรตีนหมู่นี้มีกำเนิดเดียวกับ Ras GTPases และก็จัดอยู่ใน Ras superfamily GTPase ด้วย

เยื่อหุ้มเซลล์เป็นชั้นลิพิดสองชั้นที่แบ่งเป็นส่วนนอก (outer leaflet) และส่วนใน (inner leaflet)
เพื่อที่จะเกาะติดอยู่กับส่วนในของเยื่อหุ้มเซลล์ จีโปรตีนและ GTPase ขนาดเล็ก จะต้องดัดแปลงให้มีพันธะโคเวเลนต์กับส่วนเพิ่มที่เป็นลิพิด
ซึ่งอาจเกิดผ่านกระบวนการ myristoylation, palmitoylation, หรือ prenylation