第二信使是小的细胞内信号分子，将信号从细胞表面受体（如G蛋白偶联受体）传递和放大到细胞内靶标。它们在受体激活时产生或释放，并扩散以激活下游效应器。

环AMP

环AMP由腺苷酸环化酶从ATP合成，腺苷酸环化酶是一种由Gαs激活和Gαi抑制的整合膜蛋白。cAMP水平在受体激活后数秒内升高，并被将cAMP水解为AMP的磷酸二酯酶迅速恢复到基线。cAMP的主要效应器是蛋白激酶A，它磷酸化靶蛋白的丝氨酸和苏氨酸残基。

PKA磷酸化广泛的底物，包括代谢酶如磷酸化酶激酶、激素敏感性脂肪酶和丙酮酸激酶。在细胞核中，PKA在Ser133处磷酸化转录因子CREB，招募共激活因子CBP并激活含有cAMP响应元件的基因转录。cAMP激活的交换蛋白是额外的cAMP效应器，激活小GTP酶Rap1。

环GMP

环GMP由鸟苷酸环化酶从GTP合成，鸟苷酸环化酶以膜结合和可溶性形式存在。膜结合GC被钠尿肽如心房钠尿肽激活。可溶性GC被一氧化氮激活，NO与其血红素基团结合。cGMP被特定的磷酸二酯酶水解。

cGMP激活蛋白激酶G，磷酸化参与平滑肌松弛、血小板抑制和光转导的靶标。在视觉系统中，cGMP直接结合并打开视杆细胞中的离子通道。cGMP信号途径被包括西地那非（抑制cGMP特异性PDE5，延长NO介导的血管舒张）在内的药物靶向。

钙离子

钙是最 versatile 的第二信使之一，调节从肌肉收缩到基因表达的过程。细胞质钙浓度在静息时维持在约100纳摩尔，比细胞外浓度低10,000倍以上。这种陡峭的梯度允许通过开放的通道快速钙内流。

钙信号通过两种机制产生。来自细胞外空间的内流通过电压门控钙通道、配体门控通道和储存操纵的通道发生。从细胞内储存（主要是内质网）释放通过IP3受体和兰尼碱受体发生。钙信号由将钙泵回内质网或泵出细胞的钙ATP酶终止。

钙效应由钙结合蛋白介导。钙调蛋白是最普遍的，结合四个钙离子并发生构象变化，使其能够激活靶蛋白，包括CaM激酶、钙调磷酸酶和肌球蛋白轻链激酶。肌钙蛋白C介导横纹肌中钙触发的肌肉收缩。

肌醇三磷酸和二酰甘油

IP3和DAG由磷脂酶C介导的磷脂酰肌醇4,5-二磷酸切割同时产生。IP3具有水溶性，扩散到内质网，结合IP3受体并触发钙释放。钙信号可以以波的形式在细胞中传播，并显示出复杂的时空模式，包括振荡。

DAG保留在质膜中，帮助招募和激活蛋白激酶C。PKC也依赖于钙和磷脂酰丝氨酸。不同的PKC亚型具有不同的调节特性和组织分布。PKC磷酸化调节细胞生长、分化、凋亡和分泌的各种靶标。

磷酸肌醇

磷脂酰肌醇可以在肌醇环的3、4和5位被磷酸化，产生七种不同的磷酸肌醇种类。这些磷脂集中在特定的膜域中，作为具有磷酸肌醇结合结构域的蛋白的对接位点。PIP2是质膜中最丰富的磷酸肌醇。PI3K生成的PIP3招募AKT和其他含PH结构域的蛋白。磷酸肌醇磷酸酶如PTEN和SHIP负调节PI3K信号。

一氧化氮

一氧化氮是由一氧化氮合酶从精氨酸合成的独特气体第二信使。它自由扩散穿过膜且不能被储存。NO通过结合其血红素铁激活可溶性鸟苷酸环化酶，增加cGMP产生。NO信号通过远离靶标的扩散和与血红蛋白的反应终止。NO介导血管舒张、神经传递和免疫防御。用于心绞痛的硝酸甘油被转化为NO，而西地那非延长NO-cGMP信号。