リガンドが受容体に結合すると、信号は膜を通って細胞質へ伝達される。 このようにシグナルが継続されることをシグナル伝達という。 内部受容体は核内のDNAと直接相互作用してタンパク質合成を開始することができるため、シグナル伝達は細胞表面受容体でのみ起こります。
シグナル伝達経路は非常に複雑で、多数の酵素やその他のタンパク質が関与していることがあります。 これらの経路は、1つの受容体が受け取ったシグナルを増幅するのに役立ちます。 また、細胞の種類によって存在するタンパク質が異なるため、同じリガンドでも異なる効果がある場合があります。
- キナーゼは、別の分子（他のタンパク質を含む）にリン酸基を付加する酵素の一種です。 これはリン酸化と呼ばれる。 リン酸化は他のタンパク質を活性化または不活性化することができる。
- セカンドメッセンジャーは、リガンドが受容体に結合した後、細胞質を通して信号を広めるのを助ける小さな分子である。 これは、ある種の細胞内タンパク質の挙動を変化させることによって行われる。 セカンドメッセンジャーの例としては、cAMP（AMPの改良型、ATPに関連するがリン酸を1つだけ含む）およびカルシウムイオンがある。
シグナルに対する細胞応答にはいくつかのカテゴリーがある。
- 遺伝子発現の変化：特定の遺伝子によって産生されるタンパク質の生産量の増減。
- 細胞代謝の増加：グルコースのグリコーゲンへの変換（および逆方向）は、細胞のエネルギー需要に応じて調節することができます。
- 細胞増殖：細胞は他の細胞からのシグナルによって刺激されない限り、通常は分裂しない。
- 細胞死：アポトーシスは制御された細胞死であり、細胞が異常であるか、細菌やウイルスに感染しているか、発達の特定の部分（例えば、指を分離するため）に刺激されると死ぬことができる。 腫瘍はしばしば、細胞シグナル伝達経路に対する異常な反応を示す。