二、由膜的特异受体蛋白质、G-蛋白和膜的效应器酶组成的跨膜讯号传递系统
这是另一类型的跨膜讯号传递。最初是从对激素作用机制的研究开始的。60年代在研究肾上腺素导致肝细胞中糖原分解为蓝莓糖的作用机制时，发觉假如使肾上腺素单独和分离出的细胞膜碎片互相作用，可以生成一种分子量小、能耐热的物质，当把这些物质同肝细胞的胞浆单独作用时，也能导致其中糖原的分解，同肾上腺素作用于完整的肝细胞时有类似的效应。实验提示，在肾上腺素正常起作用时，它只是作用于肝细胞的膜表面。通过某种发生在膜结构中的过程，先在胞浆中生成一种小分子物质，前者再实现肾上腺素分解单糖的作用。这些小分子物质不久被证明是环-乙酸腺苷（即cAMP，环磷腺苷）。之后又相继发觉，好多其他激素类物质作用于相应的靶细胞时，都是先同膜表面的特异受体相结合，再造成膜外侧胞浆中cAMP浓度的降低（有时是它的降低），实现激素对细胞外功能的影响。这样就把cAMP也称第二信使，这是相对于把激素分子这类外来物理讯号看作第一信使而言的。
造成cAMP形成的膜结构内部的过程颇为复杂：它起码与膜中三类特殊的蛋白质有关。第一类是能与抵达膜表面的外来物理讯号作特异性结合的受体蛋白质，这是一些真正可以叫做受体的物质。目前已用分子生物学的方式证明，它们是一些独立的蛋白质分子；早已确定的近100种这类受体，都具有类似的分子结构，也属于同一蛋白质家族：即它们都由约300~400个多肽残基组成，有一个较长的细胞外N-末端，接着在肽链中出现7个由22~28个主要为疏水性多肽组成的α-螺旋，说明这肽链起码要反复贯串膜7次，产生一个球状蛋白质分子，还有一段坐落膜外侧的肽链C-末端。目前觉得，受体分子中第7个跨膜螺旋是还能辨识、即能结合某种特定外来物理讯号的部位；在受体因结合了特异化学信号而激活时，将因而作用于膜中另一类蛋白质，即G-蛋白质。
G-蛋白是鸟苷酸结合蛋白（-）的简称，也是存在于膜结构中的一类蛋白质家族，按照它们分子结构中少数多肽残基序列上的不同，已被分辨出有数十种，但结构和功能极为相像。G-蛋白一般由α-、β-、和γ-3个亚单位组成；α-亚单位一般起催化亚单位的作用，当G-蛋白未被激活时，它结合了一分子的GDP（二乙酸鸟苷）；当G-蛋白与激活了的受体蛋白在膜中相遇时，α-亚单位与GDP分离而又与一分子的GTP（三乙酸鸟苷）结合，这时α-亚单位同其他两个亚单位分离，并对膜结构中（位置紧靠膜的内侧面）的第三类称为膜的效应器酶的蛋白质起作用，前者的激活（或被抑制）可以导致胞浆中第二信使物质的生成降低（或降低）。上述肾上腺素的作用，就是先由激素激活膜上相应的受体后，通过一种称为Gs（激动性G-蛋白）的G-蛋白的中介，激活了作为效应器酶的腺苷酸环化酶（图3箭头1），使胞浆中的ATP生成了起第二信使作用的cAMP（图3中箭头2）。因为第二信使物质的生成经过多级催化作用，少数几个膜外物理讯号分子同受体的结合，就可能在胞浆中生成数量诸多的第二信使分子，这是这种类型的跨膜讯号传递的重要特性之一。
图3由膜受体-G-蛋白-膜效应器酶组成的跨膜讯号传递系统和第二信使类物质的生成
目前发觉膜的效应器酶并不只腺苷酸环化酶一种细胞膜受体，因此第二信使物质也不只cAMP一种，如近些年来还发觉，有相当数目的外界剌激讯号作用于受体后，可以通过一种称为Go的G-蛋白，再激活一种称为磷脂酶C的膜效应器酶，以膜结构中称为磷脂酰肌醇的磷脂分子为间接底物，生成两种分别名为三乙酸酰肌醇（IP3）和二酰甘油（DG）的第二信使，影响细胞内过程，完成跨膜讯号传递。尽管这么，对应于细胞所能接受的多种剌激和与它们相对应的受体数量而言，膜内G-蛋白、效应器酶和最后生成的第二信使类物质的种类，还是相对地少得多。这说明，上述由膜中蛋白质酶促反应生成第二信使的途径，具有相当程度的“通用”性质。
因为上述这些跨膜讯号传递的方式是在研究激素的作用机制时发觉的，但是后来发觉绝大多数肽类激素都是通过这一方式起作用的，因而曾一度错误地觉得，这只是激素性物理讯号跨膜讯号传递方法。但近些年的资料说明，事实并非这么：在神经递质类物质中，不仅上述多肽类递质外，其余不论是小分子的精典递质还是后来发觉的数目诸多的神经肽类物质（目前已近50种），都主要是以在突触后细胞中形成第二信使类物质来完成跨膜讯号传递的，这种第二信使物质通过在胞浆中的扩散，在膜的内侧面作用于个别特殊的离子通道（图3中箭头3），导致突触后膜较广泛而缓慢的电变化。近来证明，在黄斑讯号转换过程中，光量子被作为受体的视色素如视紫色质（也具有7个跨膜α-螺旋的结构特征）吸收后，也是先激活称为Gt（转换蛋白）的G-蛋白，再激活作为效应器的乙酸二酯酶，使视杆细胞外段中cGMP的分解加大，最后使光剌激转变为外段膜的电变化。
上述两种主要的跨膜讯号传递方法的作用过程，有以下几点值得注意。第一，这两种作用方式并不是绝对分离的，二者之间可以相互影响或在作用上有交叉。一些第二信使类物质可以调节个别电流门控通道和物理门控通道蛋白质的功能状态；并且被某种受体激活了的G-蛋白，有的不通过第二信使能够直接作用于膜结构中的通道结构（图3中的箭头5），如上述Gs激活时可以直接打开Ca2+通道。第二，对于许多外来物理讯号分子，并不是一种物理讯号只能作用于两种跨膜讯号传递系统中的一种；以ACh为例，当它们作用于神经-肌接头处时，终板膜上有同它们作特异结合的物理门控通道；但当ACh作用于心肌或内脏平滑肌时，遇见的却是受体－G-蛋白－第二信使系统（受体称为M-型毒蕈硷型受体）。由此可见，同一种剌激讯号通过何种跨膜讯号传递系统起作用，关键诱因在于靶细胞膜上具有何种体会结构；近些年还发觉，即使是M-型ACh受体，也可再分辨出许多种亚型，有的亚型以cAMP为第二信使，有的以IP3和DG为第二信使。不同细胞继而同一细胞的膜上具有对应于同一物理讯号的不同受身材或其亚型，在跨膜讯号传递中并不稀少。近些年来发觉基本味觉剌激（大概是7种）全都是通过嗅上皮中不同的膜受体-第二信使系统起作用的，但在4种基本嗅觉剌激中，只有咸和酸剌激是通过细胞上相应的物理门控上通道起作用的，苦味物质是通过受体-第二信使系统起作用的，而甜味物质则因物质分子不同而分别通过通道和受体两种途径起作用。第三，跨膜讯号传递的方法似乎相对地较少，但也不一定只限于上述两种。近些年来有一些特殊的物理讯号影响其靶细胞的方法遭到广泛的注重，很可能成为跨膜讯号传递的一种新类型；这就是发现胰岛素等一些肽类激素和其他与机体发育、生长、修复、增生、甚至细胞恶变有关的因子，如神经生长因子、表皮生长因子、血小板源生长因子、纤维母细胞生长因子、以及与细胞生成有关的集落剌激因子等，都是通过靶细胞表面一类称为酪谷氨酸激酶受体（）的蛋白质起作用的，这类受体结构简单，只有一个跨膜α-螺旋，当坐落膜两侧的较长的肽链部份同特定的物理讯号结合后，可以直接导致受体肽链的膜内段激活，使之具有乙酸激酶活性，通过使自身肽链和膜内蛋白质底物中的酪谷氨酸残基发生乙酸化，因此形成细胞内效应。这方面的新资料正在积累之中。
癌基因和跨膜讯号传递近些年发觉与上述跨膜讯号传递有关的一些蛋白质，如受体、G-蛋白、各种生长剌激因子和营养因子、以及各类蛋白激酶等，它们在细胞内的生物合成，是由人正常染色体中被称为细胞原癌基因（proto-,进行抒发时称细胞癌基因）的一类基因所编码和抒发生成的。这种基因所以被称为原癌基因，是由于它们的核苷酸排列次序同一些（近100种）能在植物造成病变的病毒DNA（或称病毒癌基因，viral）的核苷酸排列次序相一致。关于细胞癌基因与人类癌症发生的关系目前尚不清楚，但它们的正常抒发产物，却是人体无时无刻不在进行着的各类跨膜讯号传递过程所必需的。试构想，假若因为遗传和变异等诱因使细胞不能合成结构和功能正常的G-蛋白，对人体将会有何等广泛而重要的影响！另外，在细胞原癌基因中，有一类可被胞浆中形成的第二信使等物质所激活，生成某种蛋白质；但它们在胞浆中生成后，通常又步入核内，从而诱导另一些基因进行抒发。这类癌基因从激活到蛋白质生成，比通常基因抒发为快，称为快速基因（或即早基因），而它们生成的蛋白质的作用则是激活另一些（可能在细胞功能活动中更重要）基因的抒发，故快速基因的抒发产物可称为转录调节因子或第三信使。所以称为第三信使是由于它们由第二信使类物质的作用而生成，而它们自身的作用又引发新的基因抒发细胞膜受体，生成一些可能对细胞结构和功能有较长远影响的蛋白质。这样外来讯号（第一信使）除了通过第二信使的合成在胞浆中造成一些即时反应，还可能通过第三信使导致细胞功能和结构长时间的适应性改变。