G蛋白偶联的信号转导系统由G蛋白偶联受体（G protein coupledreceptor, GPCR) , G蛋白和效应器（如腺营酸环化酶和磷脂酶C）等组成（图2.2)o G蛋白偶联受体是已知的3类涉及跨膜信号转导的膜受体之一。目前已有2000多种G蛋白偶联受体得到确认，构成了人类最大的蛋白质超家族。G蛋白偶联受体为7次跨膜蛋白（图2.3)，受体胞外结构域识别胞外信号分子并与之结合，胞内结构域与G蛋白偶联。通过与G蛋白偶联，激活细胞内的效应酶，在细胞内产生第二信使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内。G蛋白偶联受体包括多种神经递质、肽类激素和趋化因子的受体，在味觉、视觉和嗅觉中接受外源理化因子的受体亦属G蛋白偶联受体。

不同种类G蛋白的a亚基都有鸟苷酸结合区，既可与GTP结合，又可与GDP结合。与GTP、GDP的可逆结合使G蛋白在信号转导过程中起着分子开关的作用，其跨膜信息传递一般分为以下几步：①当外部没有信号时或没有受到外部刺激时，受体不与配体结合，G蛋白处于关闭状态，以异源三聚体形式存在，即a亚基与GDP紧密结合，βγ亚基与a亚基、GDP的结合较为疏松；②当外部有信号时，G蛋白受体与其相应的配体结合，随之诱导G蛋白的。亚基构象变化，并使aβγ三个亚基形成紧密结合的复合物，从而使GDP与GTP交换，但是与GTP的结合导致a亚基与βγ亚基分开，a亚基被激活，即处于所谓的开启状态，随后作用于效应器，产生细胞内信号，从而引起细胞的各种反应；③G蛋白回到关闭状态，很多实验证明，G蛋白的a亚基具有GTPase活性，在Mg 2＋存在的条件下可以水解GTP亚基与GDP复合物重新与βγ亚基结合，使G蛋白失活，处于关闭状态。以上三个过程依次循环完成信号的传递。G蛋白的a亚基具有GTPase活性，其活性的强弱就决定了活化态G蛋白的有效期的长短，从而进一步使G蛋白在信号转导过程中起到分子开关的作用。由G蛋白偶联受体介导的细胞信号通路主要指CAMP信号通路和磷脂酞肌醇信号通路。另外，G蛋白也参与了光信号转导及磷脂代谢等生理过程。

在信号转导过程中，G蛋白主要起到以下一些作用：①信号放大作用：通常情况下，一个细胞外信号激活的受体可以激活许多G蛋白，从而向细胞内传递更多的信号，起到级联放大的作用；另外在一些情况下，细胞外信号与受体结合的时间比较短，不能产生足够的放大作用，但是与之相比，G蛋白结合GTP而被激活的时间长一些，10-15s，所以虽然受体与外界信号已经分离，但是G蛋白仍在激活相关的酶系统，源源不断地向细胞内传递信号；②分子开关作用：在信号转导过程中，G蛋白提供了一个重要的调节控制作用，它与GTP的结合开启了信号转换通路。另外，G蛋白自身的共价修饰及浓度的改变都会影响受体和酶之间偶联的有效性。正常的生理条件下，G蛋白与GTP、GDP结合状态的可逆变化使一些信号转导精确而适度、不是持续的而是对细胞外信号的瞬间的反应，一旦破坏了这种正常的正、负反馈机制，细胞就会发生病变。虽然G蛋白在信号转导过程中具有信号放大的作用，但是这种放大作用不能无限地放大，必须受到适度的控制，这就体现了G蛋白的分子开关作用。

纯化的G蛋白在体外催化GTP水解的速度较慢，这无法解释一些G蛋白在体内介导快速反应的现象。例如，在视觉信号转导过程中，当光线消失时，我们很快地就能感觉到黑暗。转导体（Gt，负责视觉传导的G蛋白）随着GTP的水解（活性），视觉影像会逐渐变淡。一旦有活性的a亚单位与效应器酶结合，GTP酶反应速率上升得相当快。此外，G蛋白的GTPase活性还受RGS (regulator of G-protein signaling）蛋白家族（至少20个成员）的调节。它们与。亚单位（Gs除外）结合提高GTP水解的速率，是生理过程中的一种快速调节方式。一些小分子的RGS蛋白（少于220个残基）除了保守的催化结构域外，没有其他同源结构域的存在，而大分子RGS则拥有多种其他的蛋白结构域，如DH、PH、PTB和PDZ等，使这类RGS可以和其他信号转导蛋白联系。另外，还有其他的蛋白具有同样的GTP酶激活作用，如提高小G蛋白（如Ras) GTP酶活性的GTP激活蛋白（GAPs )。