G proteiny jsou rodinou GTPáz důležitých ve vnitrobuněčné signalizaci. Existují u nich dvě konformace: „zapnutá“, jsou-li navázány ke GTP, a „vypnutá“, mají-li navázán GDP. Přepínání mezi těmito stavy je zprostředkováno GEF (guanine nucleotide–exchange factor), proteiny, které katalyzují disociaci GDP z G proteinu; k vazbě GTP pak dochází samovolně v důsledku jeho vyšší koncentrace v cytoplazmě. Změna konformace vyvolaná vazbou GTP umožňuje G proteinu aktivovat další proteiny buněčných signálních kaskád. Rychlost hydrolýzy GTP závisí mj. na aktivitě GAP(GTPase-accelerating protein) proteinů, které mohou také reagovat na extracelulární signály.

Za objev a popsání funkce G proteinů obdrželi v roce 1994 Alfred G. Gilman a Martin Rodbell Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu. Gilman a Rodbell se původně snažili vysvětlit mechanismus stimulace buněk adrenalinem. Zjistili, že cytosolické enzymy, jako např. adenylátcykláza, nejsou aktivovány receptorem přímo, ale prostřednictvím G proteinu, který je receptorem aktivován, a může adenylát cyklázu stimulovat k produkci druhého posla, cyklického AMP.

Existují dvě odlišné třídy G proteinů: heterotrimerické (velké) G proteiny, aktivované GPCR (G–protein-coupled receptor) receptory, sestávající z α (alfa), β (beta) a γ (gama) podjednotek a monomerické G proteiny patřící do rodiny Ras malých GTPáz. Malé GTPázy jsou monomerické proteiny sekvenčně homologické α-podjednotce heterotrimerických G proteinů.

Heterotrimerické G proteiny jsou v neaktivním stavu asociovány se specifickými membránovými receptory. Skládají se z podjednotek G_α; a těsně svázaných G_βγ. Po vazbě ligandu na receptor dochází k jeho konformační změně a je schopný katalyzovat (podobně jako GEF) výměnu GDP navázaného na G_α podjednotce asociovaného G proteinu za GTP. Jakmile došlo k vazbě GTP, komplex G_α•GTP disociuje od G_βγpodjednotky, oba komplexy však zůstávají vázané v membráně, neboť G_α a G_γ podjednotky mají kovalentně vázaný lipidový řetězec (myristoylový, palmitoylový nebo prenylový zbytek), pomocí nějž jsou v membráně zakotveny. G_α s navázaným GTP může aktivovat efektorové proteiny, dokud nedojde k hydrolýze navázaného GTP na GDP. G_α podjednotka je sama GTPázou, a je tak schopná katalyzovatvlastní inaktivaci. Hydrolýzu může ještě urychlit protein RGS (regulator of G protein signaling), čímž se zkracuje doba, po kterou může G_α podjednotka aktivovat efektorové proteiny. Po hydrolýze GTP se inaktivovaná G_α podjednotka rychle opět asociuje s G_βγ.

Malé GTPázy vážou podobně jako heterotrimerické G proteiny GDP a GTP a jsou zodpovědné za přenos signálu v buňce. Na rozdíl od heterotrimerických G proteinů existují jako monomery a k žádné disociaci po aktivaci tedy nedochází – fungují jako samostatná G_αpodjednotka heterotrimerických G proteinů. Do této třídy patří důležité regulační proteiny, zejména z pěti rodin:

• Ras rodina
• Rho rodina
• Rab rodina
• Arf/Sar rodina (Arf, Sar)
• Ran rodina

U člověka je 170 zástupců (proteinů).

Gs alfa podjednotka

Gi alfa podjednotka

Gq alfa podjednotka