二、由膜的特異受體蛋白質、G-蛋白和膜的效應器酶組成的跨膜訊號傳遞系統
這是另一類型的跨膜訊號傳遞。最初是從對激素作用機制的研究開始的。60年代在研究腎上腺素導致肝細胞中糖原分解為藍莓糖的作用機制時，發覺假如使腎上腺素單獨和分離出的細胞膜碎片互相作用，可以生成一種分子量小、能耐熱的物質，當把這些物質同肝細胞的胞漿單獨作用時，也能導致其中糖原的分解，同腎上腺素作用于完整的肝細胞時有類似的效應。實驗提示，在腎上腺素正常起作用時，它只是作用于肝細胞的膜表面。通過某種發生在膜結構中的過程，先在胞漿中生成一種小分子物質，前者再實現腎上腺素分解單糖的作用。這些小分子物質不久被證明是環-乙酸腺苷（即cAMP，環磷腺苷）。之后又相繼發覺，好多其他激素類物質作用于相應的靶細胞時，都是先同膜表面的特異受體相結合，再造成膜外側胞漿中cAMP濃度的降低（有時是它的降低），實現激素對細胞外功能的影響。這樣就把cAMP也稱第二信使，這是相對于把激素分子這類外來物理訊號看作第一信使而言的。
造成cAMP形成的膜結構內部的過程頗為復雜：它起碼與膜中三類特殊的蛋白質有關。第一類是能與抵達膜表面的外來物理訊號作特異性結合的受體蛋白質，這是一些真正可以叫做受體的物質。目前已用分子生物學的方式證明，它們是一些獨立的蛋白質分子；早已確定的近100種這類受體，都具有類似的分子結構，也屬于同一蛋白質家族：即它們都由約300~400個多肽殘基組成，有一個較長的細胞外N-末端，接著在肽鏈中出現7個由22~28個主要為疏水性多肽組成的α-螺旋，說明這肽鏈起碼要反復貫串膜7次，產生一個球狀蛋白質分子，還有一段坐落膜外側的肽鏈C-末端。目前覺得，受體分子中第7個跨膜螺旋是還能辨識、即能結合某種特定外來物理訊號的部位；在受體因結合了特異化學信號而激活時，將因而作用于膜中另一類蛋白質，即G-蛋白質。
G-蛋白是鳥苷酸結合蛋白（-）的簡稱，也是存在于膜結構中的一類蛋白質家族，按照它們分子結構中少數多肽殘基序列上的不同，已被分辨出有數十種，但結構和功能極為相像。G-蛋白一般由α-、β-、和γ-3個亞單位組成；α-亞單位一般起催化亞單位的作用，當G-蛋白未被激活時，它結合了一分子的GDP（二乙酸鳥苷）；當G-蛋白與激活了的受體蛋白在膜中相遇時，α-亞單位與GDP分離而又與一分子的GTP（三乙酸鳥苷）結合，這時α-亞單位同其他兩個亞單位分離，并對膜結構中（位置緊靠膜的內側面）的第三類稱為膜的效應器酶的蛋白質起作用，前者的激活（或被抑制）可以導致胞漿中第二信使物質的生成降低（或降低）。上述腎上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相應的受體后，通過一種稱為Gs（激動性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作為效應器酶的腺苷酸環化酶（圖3箭頭1），使胞漿中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（圖3中箭頭2）。因為第二信使物質的生成經過多級催化作用，少數幾個膜外物理訊號分子同受體的結合，就可能在胞漿中生成數量諸多的第二信使分子，這是這種類型的跨膜訊號傳遞的重要特性之一。
圖3由膜受體-G-蛋白-膜效應器酶組成的跨膜訊號傳遞系統和第二信使類物質的生成
目前發覺膜的效應器酶并不只腺苷酸環化酶一種細胞膜受體，因此第二信使物質也不只cAMP一種，如近些年來還發覺，有相當數目的外界剌激訊號作用于受體后，可以通過一種稱為Go的G-蛋白，再激活一種稱為磷脂酶C的膜效應器酶，以膜結構中稱為磷脂酰肌醇的磷脂分子為間接底物，生成兩種分別名為三乙酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影響細胞內過程，完成跨膜訊號傳遞。盡管這么，對應于細胞所能接受的多種剌激和與它們相對應的受體數量而言，膜內G-蛋白、效應器酶和最后生成的第二信使類物質的種類，還是相對地少得多。這說明，上述由膜中蛋白質酶促反應生成第二信使的途徑，具有相當程度的“通用”性質。
因為上述這些跨膜訊號傳遞的方式是在研究激素的作用機制時發覺的，但是后來發覺絕大多數肽類激素都是通過這一方式起作用的，因而曾一度錯誤地覺得，這只是激素性物理訊號跨膜訊號傳遞方法。但近些年的資料說明，事實并非這么：在神經遞質類物質中，不僅上述多肽類遞質外，其余不論是小分子的精典遞質還是后來發覺的數目諸多的神經肽類物質（目前已近50種），都主要是以在突觸后細胞中形成第二信使類物質來完成跨膜訊號傳遞的，這種第二信使物質通過在胞漿中的擴散，在膜的內側面作用于個別特殊的離子通道（圖3中箭頭3），導致突觸后膜較廣泛而緩慢的電變化。近來證明，在黃斑訊號轉換過程中，光量子被作為受體的視色素如視紫色質（也具有7個跨膜α-螺旋的結構特征）吸收后，也是先激活稱為Gt（轉換蛋白）的G-蛋白，再激活作為效應器的乙酸二酯酶，使視桿細胞外段中cGMP的分解加大，最后使光剌激轉變為外段膜的電變化。
上述兩種主要的跨膜訊號傳遞方法的作用過程，有以下幾點值得注意。第一，這兩種作用方式并不是絕對分離的，二者之間可以相互影響或在作用上有交叉。一些第二信使類物質可以調節個別電流門控通道和物理門控通道蛋白質的功能狀態；并且被某種受體激活了的G-蛋白，有的不通過第二信使能夠直接作用于膜結構中的通道結構（圖3中的箭頭5），如上述Gs激活時可以直接打開Ca2+通道。第二，對于許多外來物理訊號分子，并不是一種物理訊號只能作用于兩種跨膜訊號傳遞系統中的一種；以ACh為例，當它們作用于神經-肌接頭處時，終板膜上有同它們作特異結合的物理門控通道；但當ACh作用于心肌或內臟平滑肌時，遇見的卻是受體－G-蛋白－第二信使系統（受體稱為M-型毒蕈鹼型受體）。由此可見，同一種剌激訊號通過何種跨膜訊號傳遞系統起作用，關鍵誘因在于靶細胞膜上具有何種體會結構；近些年還發覺，即使是M-型ACh受體，也可再分辨出許多種亞型，有的亞型以cAMP為第二信使，有的以IP3和DG為第二信使。不同細胞繼而同一細胞的膜上具有對應于同一物理訊號的不同受身材或其亞型，在跨膜訊號傳遞中并不稀少。近些年來發覺基本味覺剌激（大概是7種）全都是通過嗅上皮中不同的膜受體-第二信使系統起作用的，但在4種基本嗅覺剌激中，只有咸和酸剌激是通過細胞上相應的物理門控上通道起作用的，苦味物質是通過受體-第二信使系統起作用的，而甜味物質則因物質分子不同而分別通過通道和受體兩種途徑起作用。第三，跨膜訊號傳遞的方法似乎相對地較少，但也不一定只限于上述兩種。近些年來有一些特殊的物理訊號影響其靶細胞的方法遭到廣泛的注重，很可能成為跨膜訊號傳遞的一種新類型；這就是發現胰島素等一些肽類激素和其他與機體發育、生長、修復、增生、甚至細胞惡變有關的因子，如神經生長因子、表皮生長因子、血小板源生長因子、纖維母細胞生長因子、以及與細胞生成有關的集落剌激因子等，都是通過靶細胞表面一類稱為酪谷氨酸激酶受體（）的蛋白質起作用的，這類受體結構簡單，只有一個跨膜α-螺旋，當坐落膜兩側的較長的肽鏈部份同特定的物理訊號結合后，可以直接導致受體肽鏈的膜內段激活，使之具有乙酸激酶活性，通過使自身肽鏈和膜內蛋白質底物中的酪谷氨酸殘基發生乙酸化，因此形成細胞內效應。這方面的新資料正在積累之中。
癌基因和跨膜訊號傳遞近些年發覺與上述跨膜訊號傳遞有關的一些蛋白質，如受體、G-蛋白、各種生長剌激因子和營養因子、以及各類蛋白激酶等，它們在細胞內的生物合成，是由人正常染色體中被稱為細胞原癌基因（proto-,進行抒發時稱細胞癌基因）的一類基因所編碼和抒發生成的。這種基因所以被稱為原癌基因，是由于它們的核苷酸排列次序同一些（近100種）能在植物造成病變的病毒DNA（或稱病毒癌基因，viral）的核苷酸排列次序相一致。關于細胞癌基因與人類癌癥發生的關系目前尚不清楚，但它們的正常抒發產物，卻是人體無時無刻不在進行著的各類跨膜訊號傳遞過程所必需的。試構想，假若因為遺傳和變異等誘因使細胞不能合成結構和功能正常的G-蛋白，對人體將會有何等廣泛而重要的影響！另外，在細胞原癌基因中，有一類可被胞漿中形成的第二信使等物質所激活，生成某種蛋白質；但它們在胞漿中生成后，通常又步入核內，從而誘導另一些基因進行抒發。這類癌基因從激活到蛋白質生成，比通常基因抒發為快，稱為快速基因（或即早基因），而它們生成的蛋白質的作用則是激活另一些（可能在細胞功能活動中更重要）基因的抒發，故快速基因的抒發產物可稱為轉錄調節因子或第三信使。所以稱為第三信使是由于它們由第二信使類物質的作用而生成，而它們自身的作用又引發新的基因抒發細胞膜受體，生成一些可能對細胞結構和功能有較長遠影響的蛋白質。這樣外來訊號（第一信使）除了通過第二信使的合成在胞漿中造成一些即時反應，還可能通過第三信使導致細胞功能和結構長時間的適應性改變。