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

จีโปรตีนที่มีสามส่วนซึ่งแตกต่างกัน

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

กลไกสามัญ

จีโปรตีนที่เริ่มทำงานโดยหน่วยรับ จะยึดอยู่กับผิวด้านในของเยื่อหุ้มเซลล์และประกอบด้วยหน่วยย่อย Gα และหน่วยย่อย Gβγมีหน่วยรับ Gα หลายกลุ่ม เช่น Gsα (G stimulatory), Giα (G inhibitory), Goα (G other), Gq/11α, และ G12/13α ซึ่งทำการต่างกันต่อโมเลกุลปฏิบัติงาน แต่จะเริ่มทำงานอาศัยกลไกเหมือน ๆ กัน

การเริ่มการทำงาน/การก่อกัมมันต์ (Activation)

เมื่อลิแกนด์เริ่มการทำงานของหน่วยรับ คือ G protein-coupled receptor (GPCR)GPCR จะเปลี่ยนโครงรูปแล้วจึงสามารถทำหน้าที่เป็น guanine nucleotide exchange factor (GEF) ที่แลกให้ GDP เพื่อเอา GTP โดย GTP จะจับกับหน่วยย่อย Gα ของจีโปรตีน เป็นการก่อสภาพกัมมันต์ของโปรตีน นี่เป็นแบบจำลองดั้งเดิมแล้ว Gα ก็จะแยกออกจากไดเมอร์คือ Gβγ ซึ่งก็เป็นการแยกออกจากหน่วยรับนั่นเอง แต่แบบจำลองที่บ่งรายละเอียดอื่น ๆ (molecular rearrangement, reorganization, และ pre-complexing of effector molecules) ก็เริ่มเป็นที่ยอมรับ[4][15][16]ต่อจากนั้น ทั้งหน่วยย่อย Gα-GTP และ Gβγ อาจเริ่มลำดับการส่งสัญญาณ (หรือวิถีโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง) และเริ่มการทำงานของโปรตีนปฏิบัติงานต่าง ๆ[17]

การยุติ

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

กลุ่มโปรตีนที่เรียกว่า Regulator of G protein signalling (RGSs) และออกฤทธิ์เป็น GTPase-activating proteins (GAPs) เป็นโปรตีนโดยเฉพาะ ๆ สำหรับหน่วยย่อย Gα โดยเฉพาะ ๆโปรตีนเหล่านั้นจะจับกับหน่วยย่อย Gα แล้วเร่งการสลายด้วยน้ำของ GTP ให้เป็น GDP ซึ่งยุติการถ่ายโอนสัญญาณในบางกรณี โปรตีนปฏิบัติงานเองอาจมีฤทธิ์แบบ GAP อยู่ในตัว ซึ่งช่วยยุติวิถีการถ่ายโอนสัญญาณเช่นในกรณีของ phospholipase C-beta ซึ่งมีฤทธิ์แบบ GAP ที่บริเวณ C-terminalนี่เป็นวิธีการควบคุมหน่วยย่อย Gα อีกอย่างหนึ่ง[18]ถึงกระนั้น GAP ก็ไม่ได้มีลำดับกรดอะมิโนโดยเฉพาะเพื่อเริ่มปฏิกิริยาการสลายด้วยน้ำใน Gαแต่มันทำงานโดยลดระดับพลังงานการเปลี่ยนสภาพในกระบวนการสลายด้วยน้ำ

กลไกโดยเฉพาะ ๆ

Gαs

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

การถ่ายโอนสัญญาณที่อาศัย cAMP เป็นวิถีการถ่ายโอนสัญญาณสำหรับฮอร์โมนหลายอย่างรวมทั้ง

• ADH (Vasopressin) - โปรโหมตให้ไตเก็บน้ำ - ผลิตโดยต่อมใต้สมองที่ V2 Cells ใน Posterior Pituitary
• GHRH (Growth hormone-releasing hormone) กระตุ้นให้สังเคราะห์แล้วหลั่ง growth hormone (GH) - ผลิตโดยต่อมใต้สมองที่ Somatotroph Cells ใน Anterior Pituitary
• GHIH (Somatostatin) - ยับยั้งการสังเคราะห์และการหลั่ง GH - ผลิตโดย Somatotroph Cells ใน Anterior Pituitary
• CRH (Corticotropin-releasing hormone) - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่ง ACTH (Adrenocorticotropic hormone) - ผลิตโดย Anterior Pituitary
• ACTH (Adrenocorticotropic hormone) - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่งคอร์ติซอล - ผลิตโดยต่อมหมวกไตที่ Zona fasciculata ของ adrenal cortex
• TSH (Thyroid-stimulating hormone) - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่ง Thyroxine (T4) ส่วนมาก - ผลิตโดยต่อมไทรอยด์
• LH (Luteinizing hormone) - กระตุ้นการเจริญเต็มที่ของถุงน้อยในรังไข่และให้ตกไข่ในหญิง และกระตุ้นให้ผลิตเทสโทสเตอโรนและสร้างสเปิร์มในชาย
• FSH (Follicle stimulating hormone) - กระตุ้นพัฒนาการของถุงน้อยในรังไข่ในหญิง และกระตุ้นให้สร้างสเปิร์มในชาย
• PTH (Parathyroid hormone) - เพิ่มระดับแคลเซียมในเลือด โดยทำผ่านหน่วยรับ คือ Parathyroid hormone 1 receptor (PTH1) ในไตและกระดูก หรือผ่านหน่วยรับ Parathyroid hormone 2 receptor (PTH2) ในระบบประสาทกลางและสมอง รวมทั้งในกระดูกและไตด้วย
• Calcitonin - ลดระดับแคลเซียมในเลือด ผ่านหน่วยรับ calcitonin receptor ในลำไส้ กระดูก ไต และสมอง
• กลูคากอน - กระตุ้นการสลายไกลโคเจนในตับ
• hCG (human chorionic gonadotropin) - โปรโหมตการเปลี่ยนสภาพของเซลล์ (cellular differentiation) และอาจมีบทบาทในอะพอพโทซิส[19]
• เอพิเนฟรีน - หลั่งจากต่อมหมวกไตส่วน adrenal medulla เมื่ออด/ขาดอาหาร มันกระตุ้นการสลายไกลโคเจน นอกเหนือจากฤทธิ์ของกลูคากอน

Gαi

Gαi จะยับยั้งการผลิต cAMP จาก ATP

Gαq/11

Gαq/11 จะกระตุ้นเอนไซม์ phospholipase C beta ซึ่งยึดกับเยื่อหุ้มเซลล์ แล้วเอนไซม์ก็จะแยก PIP2 (ซึ่งเป็น phosphoinositol ที่เยื่อหุ้มเซลล์) ให้เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง 2 ประเภท คือ IP3 (Inositol trisphosphate) และ DAG (diacylglycerol)วิถี Inositol Phospholipid Dependent Pathway ใช้สำหรับถ่ายโอนสัญญาณสำหรับฮอร์โมนหลายประเภทรวมทั้ง

• ADH (Vasopressin/AVP) - กระตุ้นการสังเคราะห์และการหลั่ง glucocorticoid (ผลิตโดยต่อมหมวกไตที่ Zona fasciculata ของ adrenal cortex) และกระตุ้นการตีบของหลอดเลือด
• TRH (Thyrotropin-releasing hormone) กระตุ้นการสังเคราะห์และการหลั่ง TSH (Thyroid-stimulating hormone) - ผลิตโดย Anterior pituitary
• TSH (Thyroid-stimulating hormone) - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่ง Thyroxine (T4) ส่วนน้อย - ผลิตโดยต่อมไทรอยด์
• Angiotensin II - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่งแอลโดสเตอโรน (ผลิตโดยต่อมหมวกไตที่ zona glomerulosa ของ adrenal cortex)
• GnRH (Gonadotropin-releasing hormone) - กระตุ้นให้สังเคราะห์และหลั่ง FSH (Follicle stimulating hormone) และ LH (Luteinizing hormone) - ผลิตโดย Anterior Pituitary

Gα12/13

Gα12/13 มีบทบาทในการส่งสัญญาณของ GTPase ในหมู่ Rho (Rho family GTPase signaling)ผ่าน guanine nucleotide exchange factor (GEF) ใน RhoGEF superfamily โดยอาศัยโดเมน RhoGEF ที่โครงสร้างโปรตีนเหล่านี้มีบทบาทควบคุมการเปลี่ยน cytoskeleton ของเซลล์ และดังนั้น จึงมีบทบาทควบคุมการย้ายที่ของเซลล์

Gβγ

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

GTPases ขนาดเล็ก

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