G-Protein-gekoppelter Rezeptor (GPCR), auch Sieben-Transmembran-Rezeptor oder heptahelischer Rezeptor genannt, in der Zellmembran befindliches Protein, das extrazelluläre Substanzen bindet und Signale von diesen Substanzen an ein intrazelluläres Molekül, das G-Protein (Guanin-Nukleotid-bindendes Protein), weiterleitet. GPCRs finden sich in den Zellmembranen einer Vielzahl von Organismen, darunter Säugetiere, Pflanzen, Mikroorganismen und Wirbellose. Es gibt zahlreiche verschiedene Typen von GPCRs – allein im menschlichen Genom sind etwa 1.000 Typen kodiert – und als Gruppe reagieren sie auf eine Vielzahl von Substanzen, darunter Licht, Hormone, Amine, Neurotransmitter und Lipide. Einige Beispiele für GPCRs sind beta-adrenerge Rezeptoren, die Adrenalin binden, Prostaglandin-E2-Rezeptoren, die entzündliche Substanzen namens Prostaglandine binden, und Rhodopsin, das eine photoreaktive Chemikalie namens Retinal enthält, die auf Lichtsignale reagiert, die von Stäbchenzellen im Auge empfangen werden. Die Existenz von GPCRs wurde in den 1970er Jahren von dem amerikanischen Arzt und Molekularbiologen Robert J. Lefkowitz nachgewiesen. Lefkowitz teilte sich 2012 den Nobelpreis für Chemie mit seinem Kollegen Brian K. Kobilka, der dazu beitrug, die Struktur und Funktion von GPCRs aufzuklären.
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Ein GPCR besteht aus einem langen Protein, das drei grundlegende Bereiche hat: einen extrazellulären Teil (den N-Terminus), einen intrazellulären Teil (den C-Terminus) und einen mittleren Abschnitt, der sieben Transmembrandomänen enthält. Beginnend am N-Terminus windet sich dieses lange Protein auf und ab durch die Zellmembran, wobei das lange Mittelsegment die Membran siebenmal in einem Serpentinenmuster durchquert. Die letzte der sieben Domänen ist mit dem C-Terminus verbunden. Wenn ein GPCR einen Liganden bindet (ein Molekül, das eine Affinität für den Rezeptor besitzt), löst der Ligand eine Konformationsänderung in der Sieben-Transmembran-Region des Rezeptors aus. Dadurch wird der C-Terminus aktiviert, der dann eine Substanz rekrutiert, die wiederum das mit dem GPCR assoziierte G-Protein aktiviert. Die Aktivierung des G-Proteins setzt eine Reihe von intrazellulären Reaktionen in Gang, die schließlich in der Erzeugung eines Effekts enden, wie z. B. eine erhöhte Herzfrequenz als Reaktion auf Adrenalin oder Veränderungen des Sehvermögens als Reaktion auf gedämpftes Licht (siehe Second Messenger).
Beide, angeborene und erworbene Mutationen in Genen, die für GPCRs kodieren, können beim Menschen zu Krankheiten führen. So führt beispielsweise eine angeborene Mutation von Rhodopsin zu einer kontinuierlichen Aktivierung intrazellulärer Signalmoleküle, was eine angeborene Nachtblindheit verursacht. Darüber hinaus führen erworbene Mutationen in bestimmten GPCRs zu einer abnormalen Erhöhung der Rezeptoraktivität und Expression in Zellmembranen, was zu Krebs führen kann. Da GPCRs spezifische Rollen bei menschlichen Krankheiten spielen, haben sie nützliche Ziele für die Medikamentenentwicklung geliefert. Die antipsychotischen Wirkstoffe Clozapin und Olanzapin blockieren spezifische GPCRs, die normalerweise Dopamin oder Serotonin binden. Durch die Blockade der Rezeptoren unterbrechen diese Medikamente die neuronalen Bahnen, die die Symptome der Schizophrenie hervorrufen. Es gibt auch eine Reihe von Wirkstoffen, die die GPCR-Aktivität stimulieren. Die Medikamente Salmeterol und Albuterol, die an beta-adrenerge GPCRs binden und diese aktivieren, stimulieren die Öffnung der Atemwege in der Lunge und werden daher bei der Behandlung einiger Atemwegserkrankungen, einschließlich chronisch obstruktiver Lungenerkrankung und Asthma, eingesetzt.