脂質不溶性（水溶性）のホルモンやリガンドと呼ばれる受容体に結合する分子は、細胞膜を越えて拡散することができません。細胞内に入らずに細胞に影響を与えるために、これらのホルモンは細胞膜上の受容体に結合します。ファーストメッセンジャーであるホルモンが受容体に結合すると、シグナルカスケードが起こり、セカンドメッセンジャーである細胞内のタンパク質が活性化され、下流の効果が得られます。
細胞膜受容体は、外部リガンド結合ドメイン、膜貫通ドメイン、内部ドメインの3つの部分を持ち、これらのドメインの構造と機能から3つのカテゴリーに分類されます。
1つ目は、リガンドが結合すると構造が変化し、膜貫通部に形成されたチャネルをイオンが通過するリガンドゲートイオンチャネルです。
2つ目のカテゴリーはGタンパク質共役型の受容体で、7つの膜貫通ドメインを持つ独特の構造をしています。外部ドメインにリガンドが結合すると、受容体の内部に結合している3つのサブユニットのうちの1つであるαサブユニットが受容体から切り離され、細胞の応答を引き起こします。
3つ目のカテゴリーである酵素結合型受容体（触媒受容体）は、細胞内ドメインが酵素と結合しているか、あるいは酵素そのものです。リガンドが細胞外領域に結合すると、細胞内の酵素が活性化し、細胞内の他のタンパク質を活性化します。
細胞膜の受容体は、細胞の機能にとって基本的なものです。したがって、多くの病気が、細胞膜の受容体の機能低下に起因することが明らかになっているのも不思議ではないです。例えば、コレラは小腸の細胞でGタンパク質共役型の受容体が機能しなくなることで発症します。
細胞外からの刺激が細胞内の反応に変換される過程をシグナル伝達といいます。これは、リガンドが受容体に結合することで、細胞内でいくつかの分子の相互作用が生じる多段階のプロセスです。各ステップは他の複数の反応に依存しているため、これらの相互作用は複雑になることがあります。これは、適切な細胞活動が行われていることを確認するための検証の一形態です。また、シグナル伝達はしばしば反応を増幅させます。
