Dans les organismes multicellulaires, de nombreuses molécules transmettent des signaux entre les cellules pour transmettre des informations. Ces signaux varient en complexité et comprennent de petits peptides, des nucléotides, des stéroïdes, des dérivés d’acides gras et des gaz dissous tels que l’oxyde nitrique. Certaines molécules de signalisation diffusent à travers la membrane plasmique pour agir localement entre cellules voisines ou parcourir de longues distances. D’autres restent attachés à la surface de la cellule, ne transmettant des informations à d’autres cellules que lorsqu’elles entrent en contact. Dans certains cas, un traitement spécial, tel que le clivage protéolytique, peut être nécessaire pour libérer les domaines extracellulaires des protéines de signalisation transmembranaires. Par exemple, les signaux peptidiques et protéiques sont synthétisés sous forme de pré-pro-peptides inactifs dans le réticulum endoplasmique rugueux, convertis en pro-peptides par clivage enzymatique, et traités ultérieurement dans l’appareil de Golgi avant d’être activés enzymatiquement dans les vésicules de transport destinées à l’exocytose.

Les signaux hydrosolubles ou hydrophiles qui ne peuvent pas traverser la région non polaire de la membrane plasmique ou les molécules trop grosses pour traverser la membrane se lient au domaine extracellulaire des récepteurs de surface cellulaire. Le groupe de molécules qui se lient au récepteur de surface cellulaire est diversifié. Ils sont principalement constitués d’acides aminés qui peuvent être non modifiés, modifiés en un dérivé ou incorporés dans des peptides et des protéines. Par exemple, les neurotransmetteurs comme le glutamate et le GABA sont des signaux d’acides aminés synthétisés et stockés dans les vésicules par les neurones et libérés par exocytose. Un autre neurotransmetteur, la dopamine, est dérivé de la tyrosine.

Les ions, en particulier le calcium, contrôlent des processus cellulaires critiques tels que la contraction musculaire, la transcription des gènes et l’apoptose. Ils peuvent soit être impliqués dans la communication intracellulaire directe par le biais de jonctions lacunaires, soit fonctionner comme des seconds messagers dans les voies de signalisation intracellulaires. L’oxyde nitrique, une molécule de signalisation gazeuse connue pour son rôle dans la relaxation des muscles lisses, se diffuse directement à travers la membrane plasmique. Le médicament nitroglycérine, qui est utilisé pour traiter les maladies cardiaques, provoque la libération d’oxyde nitrique. Cela provoque la dilatation des vaisseaux sanguins et rétablit le flux sanguin vers le cœur.