Внутриклеточные сигнальные каскады усиливают сигнал, исходящий внеклеточно, и направляют его к намеченной внутриклеточной цели, что приводит к транскрипции, переводу, модификациям белка, активации ферментов, клеточному метаболизму, митозу и/или апоптозу.

Самый основной сигнальный каскад включает в себя активацию вторичных мессенджеров и высвобождение киназ. Киназа активирует или деактивирует белки и ферменты, добавляя к ним фосфатную группу. Фосфаты удаляют фосфатные группы, что приводит к деактивации или реактивации белков.

Циклический путь AMP (cAMP) назван в честь своего вторичного мессенджера, CAMP. Этот путь чаще всего инициируется, когда лиганд связывается с G-соединенным рецептором белка. G-белок отъединяется от рецептора и запускает аденилат циклазу для синтеза CAMP из АТФ. Для каждого взаимодействия лиганд-рецепторов генерируется несколько молекул CAMP, усиливающих сигнал.

CAMP активирует белковую киназу A (PKA). PKA является тетрамерной молекулой с двумя регулятивными подразделениями и двумя активными подразделениями. Когда четыре молекулы CAMP взаимодействуют с молекулой PKA, она высвобождает два активных подразделения. Эти подразделения PKA фосфорилат целевых белков и ферментов. В случае экспрессии генов, PKA активирует CREB, транскрипционный фактор в ядре.

Шаги, которые предшествуют внутриклеточному сигнальному каскаду, который является лигандом и рецептором, называются событиями вверх по течению. Те, которые приходят после пути CAMP-фосфорилирования CREB в приведенном выше примере- называют событием ниже по течению. Есть множество событий вверх и вниз по течению, в которых эти пути могут быть вовлечены.

Более сложным сигнальным каскадом является путь Рас-Раф-МАП Кинасе, который включает в себя ряд последовательных киназ, активизировавающих другие киназы. В этом пути Ras, небольшой фермент GTPase, активируется, когда фактор роста связывается с его рецептором (событие вверх по течению). Затем Рас активирует киназу Раф- или МАП киназы киназы (MAP3K). MAP3K фосфорилатов и, таким образом, активирует другой киназы- MAP киназы киназы (MAP2K, также называемый MEK). Эта киназа активирует киназу MAP (MAPK, также называемую ERK) фосфорилированием. MAPK мигрирует в ядро, где он может фосфорилировать несколько транскрипционных факторов (вниз по течению событий). Одним из таких факторов транскрипции является c-myc, который инициирует транскрипцию семейство генов myc, участвующих в пролиферации клеток и раке. Путь Ras-Raf-MAP kinase использует несколько киназ для усиления внешнего сигнала, принесенного факторами роста, и является более сложным, чем более простой путь CAMP.

Другими внутриклеточными каскадами сигналов, названными в честь их вторичных мессенджеров, являются системы фосфоинозитол, арахидоновая кислота и циклические системы GMP.