Da viele rezeptorbindende Liganden hydrophil sind, durchqueren sie die Zellmembran nicht. Ihre Botschaft muss daher an einen zweiten Boten im Inneren weitergeleitet werden. Es gibt mehrere Botenwege, über welche auf verschiedene Arten Informationen weitergegeben werden. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren können beide sekundären Botenstoffe, Phosphoinositol und zyklisches AMP (cAMP), aktivieren. Die Phosphoinositolkaskade ist aktiv, wenn der Rezeptor die Aktivierung der Phospholipase C verursacht, welche dann das Phospholipid, Phosphatidylinositolbiphosphat (PIP₂), in zwei Botenstoffe hydrolysiert: Diacylglycerin (DAG) und Inositoltriphosphat (IP₃). DAG bleibt in der Nähe der Zellmembran und aktiviert die Proteinkinase C (PKC). IP₃ translokiert in das endoplasmatische Retikulum (ER) und bewirkt das Öffnen der Kalzium-Ionenkanäle der ER-Membran und bewirkt somit die Freisetzung von Kalzium in das Zytoplasma.

In der cAMP-Signalkaskade veranlasst der aktivierte Rezeptor die Adenylatzyklase, mehrere Kopien des cAMPs aus nahegelegenen Adenosintriphosphat (ATP)-Molekülen zu produzieren. cAMP kann die Proteinkinase A (PKA) stimulieren, Kalziumionenkanäle öffnen und das durch cAMP aktivierte Enzym-Austauschprotein (Epac) initiieren.

Ähnlich dem cAMP ist das zyklische Guanosinmonophosphat (cGMP). cGMP wird aus Guanosintriphosphat (GTP)-Molekülen synthetisiert, wenn eine Guanylylzyklase aktiviert wird. Als zweiter Botenstoff induziert cGMP die Proteinkinase G (PKG). PKG hat viele überlappende Funktionen zur PKA, aber die Expression der PKG ist jedoch auf das Gefäßgewebe, die Lunge und das Gehirn beschränkt.

Phosphatidylinositoltriphosphat (PIP₃) ist ein zweiter Botenstoff, der aus der Phosphorylierung von PIP₂ stammt. Dieser Schritt wird ausgelöst, wenn Wachstumsfaktoren an den Rezeptor-Tyrosinkinase (RTR) Rezeptor binden. PIP₃ bringt Akt (alias Proteinkinase B) zu der Membran. Diese Kinase ist eng mit der Regulierung von Zellüberlebensstrategien verbunden. Wie zum Beispiel die Zellteilung, Apoptose und Migration.