Аденилатциклаза располагается на внутренней стороне плазмалеммы и катализирует образование цАМФ из АТФ, которая всегда встречается в достаточном количестве внутри клетки. Под действием α -субъединицы G-белка концентрация цАМФ в цитозоле стремительно возрастает.

Бесконтрольному возрастанию концентрации цАМФ препятствует действие биологического антагониста – цАМФ фосфодиэстеразы, катализирующей переход цАМФ в АМФ. Циклический АМФ является водорастворимой молекулой и поэтому способен свободно диффундировать в цитозоле клетки на значительные расстояния от мембраны. Его основной мишенью является цАМФ-зависимая протеинкиназа (А-киназа).

Присоединение четырех молекул цАМФ вызывает диссоциацию неактивного комплекса А-киназы (две субъединицы) с регуляторным белком (две субъединицы). В результате высвобождаются две каталитические субъединицы, обладающие протеинкиназной активностью. А-киназа катализирует присоединение фосфатной группы к белкам по остаткам серина и треонина, вызывая изменения активности белков-мишеней.

Фосфорилированию могут подвергаться и белки, образующие ионные каналы, в частности Са2+ -каналы L-типа.

Результаты стимуляции (ингибирования) аденилатциклазы могут проявляться как в течение короткого промежутка времени (от нескольких секунд до минуты), так и по прошествии многих часов. В последнем случае эффект обусловлен активацией белков, регулирующих экспрессию генов.

Несколько десятков рецепторов, связанных с G-белками, реализуют свое действие посредством стимуляции фосфолипазы С. Она в свою очередь расщепляет находящийся во внутреннем липидном слое плазматической мембраны фосфатидилинозитол-4,5-бифосфат на диацилглицерол (ДАГ, DAG), который остается связанным с мембраной, и инозитол 1,4,5-трифосфат (ИТФ, IP 3) – диффундирует в цитоплазму. ИТФ вызывает открытие Са²⁺ -каналов эндоплазматического ретикулума, что приводит к высвобождению кальция из названного внутриклеточного депо. ДАГ, диффундируя в мембране, активирует протеинкиназу С (С-киназу). При этом ее полная активация возможна только в присутствии ионов Са²⁺, которые поступают из эндоплазматического ретикулума под действием ИТФ. С-киназа фосфорилирует многие внутриклеточные белки, действуя схожим образом с А-киназой.

Возрастание внутриклеточной концентрации Са²+ наблюдается не только при стимуляции фосфолипазы С. Свободный кальций является важнейшим регулятором биохимических превращений внутри клетки. Эффекты Са²⁺ по отношению к большинству регуляторных макромолекул реализуются при посредстве Са²⁺ - связывающих белков. Самым широко распространенным и наиболее известным является кальмодулин. Он представляет собой молекулу гантелевидной формы, два глобулярных конца которой соединены при помощи подвижной α -спирали.

Каждый концевой участок имеет по два Са²⁺ -связывающих домена. Присоединение четырех ионов кальция изменяет конформационную стабильность кальмодулина, в результате он может связываться с большим количеством белков-мишеней, активируя или ингибируя их. Наиболее важным представляется его действие на СаМ-киназы. Предполагается, что именно они ответственны за долговременные изменения эффективности синаптической передачи.

Использование внутриклеточных вторичных посредников обладает рядом существенных преимуществ при передаче сигнала. Во-первых, благодаря им сигнал может переноситься от места своего возникновения в те участки клетки, где располагаются структуры, ответственные за формирование ответа. Во-вторых, происходит усиление сигнала – так, всего несколько сигнальных молекул во внеклеточном пространстве способны вызвать образование множества вторичных посредников, что также позволяет распределить сигнал внутри клетки. В результате наблюдается активация многих параллельных путей биохимических превращений. В-третьих, каждый этап сигнального каскада подвержен регуляторным влияниям, что создает огромные возможности для модуляции сигнала в соответствии с условиями, создающимися в определенный момент времени вне и внутри клетки.

Предполагается, что 2 % генома ответственно за синтез протеинкиназ. При этом в «типичной клетке» млекопитающего присутствует не менее 1000 разных протеинкиназ. В результате формируются многочисленные протеинкиназные сети, работа которых и определяет ответ клетки на внешнее воздействие.