В начале ХХI в. насчитывалось свыше 2000 рецепторов, связанных с G-белками, разделенных на более 100 подсемейств в соответствии с гомологией их аминокислотных последовательностей, структурой лигандов и функциями.

Своим названием G-белки обязаны возможностью образовывать связи с гуниновыми (G) нуклеотидами, т. е. ГТФ (GTP).

Структура рецептора характеризуется внеклеточным N-концевым участком, семью трансмембранными сегментами, формирующими основу рецептора, тремя петлями, направленными во внеклеточное пространство, и тремя (четырьмя) – в сторону цитозоля, а также внутриклеточным C концевым участком.

Третья внутриклеточная петля предназначена для связывания с G белком. Каждый из трансмембранных сегментов состоит из 20–27 аминокислот. Напротив, выраженные колебания количества аминокислотных остатков N-(7-595) и С-(12-359)-концевых участков, петель (5-230) свидетельствуют о разнообразии выполняемых функций.

В качестве активатора рецепторов, связанных с G-белками, могут выступать нейромедиаторы (ГАМК, норадреналин, дофамин и т. п.), свет (родопсин), одоранты. Указанная группа рецепторов обнаружена даже у дрожжей.

Связывание сигнальной молекулы внеклеточного пространства с рецептором приводит к его конформационным изменениям, что делает возможным взаимодействие между обращенным в сторону цитозоля участком и G-белком, расположенным на внутренней стороне цитоплазматической мембраны.

Все G-белки состоят из трех субъединиц: α, δ, γ. Большое количество подтипов каждой из субъединиц (20 α, 6 β, 12 γ) создает основу для различных комбинаций, обеспечивающих разнообразие выполняемых функций.

В неактивном состоянии α -субъединица G-белка связана с ГДФ, а все три субъединицы составляют единый комплекс. Взаимодействие с рецептором приводит к замещению ГДФ на ГТФ, что вызывает диссоциацию G-белка на α - и β γ-субъединицы. Эти две составляющие способны диффундировать вдоль внутренней поверхности мембраны и напрямую взаимодействовать с белками-мишенями, локализованными в плазмалемме. Продолжительность их действия определяется поведением α -субъединицы, обладающей ГТФазной активностью, – гидролиз связанного с ней ГТФ до ГДФ приводит к обратному связыванию α -субъединицы и комплекса β γ-субъединиц в единое целое. Это происходит спустя несколько секунд после исходной активации G-белка.

Таким образом, существуют два действующих начала, ассоциированных с G-белком: α - и β γ-субъединицы.

Активация посредством комплекса β γ -субъединиц. Впервые изучена при исследовании молекулярных основ действия ацетилхолина на сердце. Связывание ацетилхолина с рецептором ( м -холинорецептором) приводит к последующей диссоциации G-белка. Комплекс β γ-субъединиц взаимодействует с цитозольным доменом К + -канала, увеличивая вероятность нахождения его в открытом состоянии. Как следствие, клетка гиперполяризуется, увеличивается порог генерации потенциала действия и частота сердечных сокращений уменьшается. Инактивация α -субъединицы и последующая ее ассоциация с комплексом β γ-субъединиц переводит калиевый канал в закрытое состояние.

Схожая ситуация наблюдается и при активации норадренергических ауторецепторов симпатических ганглиев лягушки. В этом случае комплекс β γ-субъединиц блокирует Са2+ -каналы N-типа в пресинаптических терминалях, что уменьшает выброс медиатора в синаптическую щель (отрицательная обратная связь) и служит надежным механизмом регуляции эффективности синапса.

Активация посредством α -субъединицы. В этом случае наблюдается взаимодействие с белками, связанными с мембраной. Наиболее известными мишенями для α -субъединицы являются аденилатциклаза и фосфолипаза С. Эти ферменты катализируют реакции образования небольших сигнальных молекул – вторичных посредников, называемых так в противоположность сигналам, поступающим к клетке извне. Действие α субъединицы может как стимулировать, так и ингибировать ферментативную активность.

G-белки функционально разделяют на четыре большие группы: Gs – стимулируют, а Gi – ингибируют аденилатциклазу (G So -изоформа связывается (ингибируя) с потенциал-зависимыми Са²⁺ - и К⁺ -каналами, а G St активирует фосфодиэстеразу цГМФ); Gq – связывается с фосфолипазой С, а для G 12 и G 13 – мишени неизвестны). Разные G-белки способны взаимодействовать с несколькими мишенями, равно как и модулировать активность одних и тех же ионных каналов.