Несмотря на защитную мембрану, которая отделяет клетку от окружающей среды, клетки должны иметь возможность обнаруживать изменения окружающей среды и реагировать на них. Кроме того, клеткам часто необходимо общаться друг с другом. Одноклеточные и многоклеточные организмы используют различные клеточные сигнальные механизмы для связи с окружающей средой.

Клетки реагируют на многие типы информации, часто через рецепторные белки, расположенные на мембране. Например, клетки кожи реагируют на информацию о прикосновении и передают ее, в то время как фоторецепторы в сетчатке могут обнаруживать свет. Большинство клеток, однако, эволюционировали, чтобы реагировать на химические сигналы, включая гормоны, нейротрансмиттеры и многие другие типы сигнальных молекул. Клетки могут даже координировать различные реакции, вызываемые одной и той же сигнальной молекулой.

Как правило, клеточная сигнализация включает в себя три этапа: (1) прием, (2) трансдукция и (3) ответ. При приеме большинства сигналов мембранонепроницаемая молекула, или лиганд, вызывает изменение мембранного рецептора; Тем не менее, некоторые сигнальные молекулы, такие как гормоны, могут пересекать мембрану, чтобы достичь своих внутренних рецепторов. Затем мембранный рецептор может посылать этот сигнал внутриклеточным мессенджерам, преобразуя сообщение в клеточный ответ. Этот внутриклеточный ответ может включать изменения в транскрипции, трансляции, активации белка и других реакциях.

Одноклеточные организмы, такие как бактерии, могут использовать тип клеточной сигнализации, называемый чувством кворума, для обнаружения их концентрации в колонии и выработки скоординированных ответов. Эукариотические клетки могут высвобождать лиганды, которые нацелены на ту же клетку, которая произвела сигнал (аутокринная сигнализация) или на соседние клетки (паракринная сигнализация). Сигналы могут даже посылаться на большие расстояния, как в случае с некоторыми гормонами, и вызывать ответы в отдаленных клетках, называемые эндокринной сигнализацией. Контакт-зависимая передача сигналов описывает физические пути, созданные между соседними клетками, по которым цитоплазматические сигналы могут быстро проходить. Клетки нервной системы могут генерировать быстрые реакции благодаря специализации клеточной сигнализации, называемой синаптической сигнализацией.