หน่วยรับสามารถแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ ๆ คือ หน่วยรับภายในเซลล์และนอกเซลล์

หน่วยรับนอกเซลล์

หน่วยรับนอกเซลล์เป็นโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (transmembrane protein) ซึ่งเป็นหน่วยรับกลุ่มใหญ่ที่สุดเป็นโปรตีนที่ทอดข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ คือส่วนหนึ่งจะอยู่นอกเซลล์และอีกส่วนหนึ่งจะอยู่ในเซลล์การถ่ายโอนสัญญาณจะเกิดอาศัยลิแกนด์ที่จับกับส่วนนอกของหน่วยรับ โดยที่ลิแกนด์จะไม่เข้าผ่านเยื่อหุ้มเซลล์การจับจะทำให้ส่วนภายในเปลี่ยนโครงรูปเป็นกระบวนการที่บางครั้งเรียกว่าการก่อกัมมันต์ของหน่วยรับ (receptor activation)[28]ซึ่งมีผลเริ่มก่อกัมมันต์ของโดเมนที่เป็นเอนไซม์ของหน่วยรับ หรือเป็นการเปิดจุดยึด (binding site) สำหรับโปรตีนส่งสัญญาณภายในเซลล์ ซึ่งในที่สุดก็จะแพร่กระจายสัญญาณไปในไซโทพลาซึม

ในเซลล์ยูแคริโอต โปรตีนภายในเซลล์โดยมากที่เปลี่ยนเป็นสภาพกัมมันต์เพราะการจับของลิแกนด์-หน่วยรับ จะมีฤทธิ์เป็นเอนไซม์ด้วยตัวอย่างรวมทั้ง tyrosine kinase และ phosphataseเอนไซม์เช่นนี้บ่อยครั้งจะเชื่อมอยู่กับหน่วยรับด้วยพันธะโคเวเลนต์บางอย่างสามารถสร้างโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง เช่น cyclic AMP และ Inositol triphosphate (IP3) โดยอย่างหลังเป็นตัวกระตุ้นให้หน่วยเก็บภายในปล่อยแคลเซียมออกในไซโทพลาซึมส่วนโปรตีนกัมมันต์อื่น ๆ จะมีปฏิกิริยากับโปรตีนอะแด็ปเตอร์ (signal transducing adaptor protein) ที่อำนวยปฏิสัมพันธ์ระหว่างโปรตีนส่งสัญญาณต่าง ๆ และประสานงานให้คอมเพล็กซ์ส่งสัญญาณต่าง ๆ ที่จำเป็นในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าหนึ่ง ๆทั้งเอนไซม์และโปรตีนอะแด็ปเตอร์เป็นตัวตอบสนองต่อโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองต่าง ๆ

โปรตีนอะแด็ปเตอร์และเอนไซม์หลายอย่างที่ออกฤทธิ์โดยเป็นส่วนของการถ่ายโอนสัญญาณ จะมีโดนเมนโปรตีนพิเศษ (protein domain) เพื่อจับกับโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองโดยเฉพาะ ๆยกตัวอย่างเช่น ไอออนแคลเซียม (Ca2+) ซึ่งเป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองจะจับกับโดเมน EF hand ของโปรตีน calmodulin ซึ่งทำให้มันสามารถจับและเริ่มการทำงานของ calmodulin-dependent kinaseส่วน PIP3 และ phosphoinositides อื่น ๆ ก็จะทำเช่นเดียวกันต่อโดเมน Pleckstrin homology domain ของโปรตีนเช่น AKT ซึ่งเป็น kinase protein

G protein-coupled receptors

G protein-coupled receptors (GPCRs) เป็นกลุ่มโปรตีนข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีโดเมนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ 7 โดเมน โดยส่วนภายในเชื่อมอยู่กับจีโปรตีนที่เป็น heteromerกลุ่มมีสมาชิกเกือบ 800 ชนิด จึงเป็นโปรตีน/หน่วยรับของเยื่อหุ้มเซลล์กลุ่มใหญ่ที่สุดในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมถ้านับสัตว์สปีชีส์อื่น ๆ ด้วยทั้งหมด ก็จะมีเกิน 5,000 ชนิด[29]

GPCR ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมแบ่งออกเป็น 5 หมู่หลัก คือrhodopsin-like, secretin-like, metabotropic glutamate, adhesion และ frizzled/smoothenedแม้จะมีโปรตีนบางพวกที่จัดยากเพราะมีลำดับดีเอ็นเอที่เหมือนกันน้อย เช่น vomeronasal receptor (ที่ vomeronasal organ)[29]ยังมีหมู่อื่น ๆ อีกในยูแคริโอต เช่น cyclic AMP receptor และ fungal mating pheromone receptor ของโพรทิสต์สกุล Dictyostelium[29]

การโอนสัญญาณของ GPCR เริ่มจากการมีจีโปรตีนในสภาพอกัมมันต์ที่เชื่อมอยู่กับหน่วยรับภายในเซลล์โดยจีโปรตีนจะเป็น heterotrimer คือมีหน่วยย่อยต่าง ๆ รวมทั้ง Gα, Gβ, และ Gγ[30]เมื่อ GPCR จับกับลิแกนด์ มันจะเปลี่ยนโครงรูปซึ่งก่อสภาพกัมมันต์ของจีโปรตีนอันเป็นเหตุให้หน่วยย่อย Gα จับกับโมเลกุลของ GTP แล้วแตกออกจากหน่วยย่อยอื่น ๆ 2 อย่างที่เหลือการแตกตัวจะเปิดจุดยึดของหน่วยย่อยที่สามารถมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลอื่น ๆ[31]

หน่วยย่อยกัมมันต์ของจีโปรตีนที่แยกออกจากหน่วยรับเช่นนี้ จะจุดชนวนการส่งสัญญาณในลำดับต่อ ๆ ไปของโปรตีนปฏิบัติงาน (effector protein) มากมาย เช่น phospholipase และช่องไอออน โดยอย่างหลังจะอำนวยให้ปล่อยโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองได้[32]กำลังของ GPCR ในการขยายสัญญาณจะกำหนดโดยช่วงอายุของคอมเพล็กซ์ลิแกนด์-หน่วยรับ ของหน่วยรับ-คอมเพล็กซ์โปรตีนปฏิบัติงาน และเวลาที่เอนไซม์ในกระบวนการใช้เพื่อระงับฤทธิ์ของหน่วยรับกัมมันต์และโปรตีนปฏิบัติงาน เช่น ผ่าน protein kinase phosphorylation หรือ b-arrestin-dependent internalization

งานศึกษาหนึ่งทดลองโดยแทรกการกลายพันธุ์แบบ point mutation เข้าในยีนที่เข้ารหัสหน่วยรับ chemokine receptor คือ CXCR2เซลล์ที่กลายพันธุ์จะแปลงสภาพเป็นแบบร้าย (malignant transformation) เนื่องจากการแสดงออกของยีน CXCR2 ที่อยู่ในสภาพกัมมันต์ (active conformation) แม้จะไม่ได้จับกับ chemokineนี่เป็นวิธีที่ chemokine receptor อาจมีส่วนในพัฒนาการของมะเร็ง[33]

protein kinase สำหรับไทโรซีน, Ser/Thr และ Histidine

หน่วยรับ Receptor tyrosine kinases (RTKs) เป็นโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีโดเมน kinase ในเซลล์ บวกกับโดเมนนอกเซลล์ที่สามารถจับกับลิแกนด์ตัวอย่างรวมทั้ง growth factor receptors เช่น insulin receptor[34]เพื่อถ่ายโอนสัญญาณ RTKs จำเป็นต้องอยู่ในรูปแบบไดเมอร์ (คือ มีหน่วยเหมือนกันที่จับคู่กัน) ที่เยื่อหุ้มเซลล์[35]โดยไดเมอร์จะเกิดความเสถียรเมื่อลิแกนด์จับกับหน่วยรับต่อจากนั้น ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโดเมนในไซโทพลาซึมจะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันอัตโนมัติ (autophosphorylation) ของเรซิดิว tyrosine ภายในโดเมน kinase ที่อยู่ภายในเซลล์ แล้วทำให้เปลี่ยนโครงรูปจากนั้นโดเมน kinase ก็จะออกฤทธิ์ โดยจุดชนวนลำดับการส่งสัญญาณที่อาศัยปฏิกิริยาฟอสโฟรีเลชันสำหรับโมเลกุลในไซโทพลาซึมต่อ ๆ ไป (downstream) ที่อำนวยกระบวนการต่าง ๆ ของเซลล์ เช่น การเปลี่ยนสภาพ (cell differentiation) และเมแทบอลิซึม[34]

protein kinase สำหรับ Ser/Thr และ dual-specificity kinase หลายอย่างสำคัญต่อการถ่ายโอนสัญญาณ ไม่ว่าจะออกฤทธิ์ในลำดับหลังจาก RTK หรืออาจทำหน้าที่เช่นกับ RTK โดยฝังอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์หรือเป็นสารละลายเองในเซลล์มีกระบวนการถ่ายโอนสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับ protein kinase และ pseudokinase ราว ๆ 560 อย่างที่รู้จักภายในจีโนมมนุษย์[36][37]

เหมือนกับ GPCR จีโปรตีนที่จับกับ GTP มีบทบาทสำคัญในการถ่ายโอนสัญญาณจาก RTK แบบกัมมันต์เข้าไปในเซลล์ในกรณีนี้ จีโปรตีนจะเป็นสมาชิกของกลุ่ม GTPases คือ Ras, Rho, และ Raf โดยเรียกร่วมกัน ๆ ได้ว่า จีโปรตีนแบบเล็ก (small G protein)ซึ่งทำงานเหมือนกับสวิตช์โมเลกุลที่ปกติจะผูกอยู่กับเยื่อหุ้มเซลล์โดยกลุ่ม isoprenyl ที่เชื่อมกับส่วนสุดข้างที่เป็น carboxylเมื่อมีสภาพกัมมันต์ จีโปรตีนก็จะส่งโปรตีนไปที่ซับโดเมนของเยื่อหุ้มเซลล์โดยเฉพาะ ๆ ซึ่งเป็นที่ที่โปรตีนมีส่วนส่งสัญญาณดังนั้น ในสภาพกัมมันต์ RTK จะก่อสภาพกัมมันต์ของจีโปรตีนแบบเล็ก ซึ่งก็เริ่มการทำงานของ guanine nucleotide exchange factor เช่น SOS1เมื่อออกฤทธิ์แล้ว exchange factor เหล่านี้ก็สามารถเริ่มการทำงานของจีโปรตีนแบบเล็กอื่น ๆ อีก นี่เป็นการขยายต่อสัญญาณที่หน่วยรับได้โดยดั้งเดิม

การกลายพันธุ์ของยีน RTK บางอย่าง เหมือนกับที่เกิดใน GPCR อาจมีผลเป็นการแสดงออกของหน่วยรับที่อยู่ในสภาพกัมมันต์แม้ไม่ได้จับกับลิแกนด์ยีนกลายพันธุ์เช่นนี้อาจเป็นยีนมะเร็ง (oncogene)[38]

Histidine-specific protein kinases มีโครงสร้างที่ต่างจาก protein kinase อื่น ๆ และพบอยู่ในโพรแคริโอต เห็ดรา และพืช โดยเป็นส่วนของกลไกถ่ายโอนสัญญาณที่มีองค์ประกอบสองอย่างคือ ในเบื้องต้นจะเติมกลุ่มฟอสเฟตจากอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) เข้ากับเรซิดิว histidine ภายใน kinase แล้วจากนั้นจึงโอนไปให้เรซิดิว aspartate ในโดเมนส่วนรับของโปรตีนอื่น หรือของ kinase เอง ซึ่งเริ่มการทำงานของเรซิดิว aspartate[39]

Integrins

เซลล์มากมายหลายแบบผลิต integrinซึ่งมีบทบาทในการยึดเซลล์เข้ากับเซลล์อื่น ๆ หรือกับเมทริกซ์นอกเซลล์ และในการถ่ายโอนสัญญาณจากองค์ประกอบของเมทริกซ์นอกเซลล์ เช่น fibronectin และคอลลาเจนลิแกนด์ที่ยึดเข้ากับโดเมนนอกเซลล์ของ integrin จะเปลี่ยนโครงรูปของโปรตีน ซึ่งจุดชนวนการถ่ายโอนสัญญาณแต่ integrin เองไม่มีส่วนที่ออกฤทธิ์แบบ kinaseดังนั้น กาถถ่ายโอนสัญญาณที่อำนวยโดย integrin จะทำผ่าน protein kinase และโมเลกุลอะแด็ปเตอร์ต่าง ๆ โดยตัวประสานงานหลักก็คือ integrin-linked kinase (ILK)[40]ในรูป การส่งสัญญาณร่วมกันของ integrin-RTK จะกำหนดชั่วอายุของเซลล์ อะพอพโทซิส การเพิ่มจำนวนเซลล์ และการเปลี่ยนสภาพให้แตกต่าง (differentiation)

การส่งสัญญาณโดยอาศัย integrin จะแตกต่างอย่างสำคัญระหว่างเซลล์เม็ดเลือดที่ไหลเวียนและเซลล์ที่ไม่ไหลเวียน เช่น เซลล์เยื่อบุผิวเพราะในเซลล์ที่ไหลเวียน integrin จะอยู่ในรูปแบบที่ไม่มีฤทธิ์ (ในสภาพอกัมมันต์)ยกตัวอย่างเช่น integrin บนเยื่อบุผิวของเม็ดเลือดขาวที่ไหลเวียน ปกติจะรักษาให้อยู่ในสภาพอกัมมันต์ เพื่อป้องกันไม่ให้ยึดกับเซลล์เยื่อบุผิวอื่น ๆ แต่จะออกฤทธิ์เมื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้า เช่นที่ได้ในบริเวณที่เกิดการอักเสบและในนัยเดียวกัน integrin ที่เยื่อหุ้มเซลล์ของเกล็ดเลือดที่ไหลเวียน ปกติจะไม่มีฤทธิ์เพื่อไม่ให้เกิดภาวะหลอดเลือดมีลิ่มเลือด (thrombosis)แต่เซลล์เยื่อบุผิว (ซึ่งไม่ใช่เซลล์ไหลเวียน) ปกติจะมี integrin ในรูปแบบซึ่งมีฤทธิ์ที่เยื่อหุ้มเซลล์ อันช่วยให้ยึดอยู่อย่างเสถียรกับเซลล์ส่วนพยุง (stromal cells) ซึ่งเป็นเซลล์ข้างใต้ที่ยังให้สัญญาณเพื่อดำรงการทำงานให้เป็นปกติด้วย[41]

ในพืช ยังไม่พบหน่วยรับ integrin ที่น่าเชื่อถืออย่างไรก็ดี มีการเสนอโปรตีนคล้าย integrin หลายอย่าง เพราะมีโครงสร้างที่มีต้นกำเนิดเดียวกันกับ metazoan receptor[42]ที่น่าแปลกใจก็คือ พืชมี ILK ที่มีโครงสร้างปฐมภูมิคล้ายกับ ILK ของสัตว์อย่างมาก

ในพืชแบบจำลองในวงศ์ผักกาดคือ Arabidopsis thaliana ยีน ILK1 พบว่า เป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้ในการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันของพืชต่อโมเลกุลส่งสัญญาณจากเชื้อโรค และในความไวต่อเกลือและต่อความเปลี่ยนแปลงทางออสโมซิสอื่น ๆ[43]โปรตีน ILK1 จะมีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนขนส่งโพแทสเซียม คือ HAK5 ที่มีสัมพรรคภาพสูง และกับหน่วยรับแคลเซียมคือ CML9[43][44]

Toll-like receptors

เมื่อเปลี่ยนเป็นสภาพกัมมันต์ toll-like receptors (TLRs) จะใช้โมเลกุลอะแด็ปเตอร์ภายในไซโทพลาซึมเพื่อแพร่สัญญาณต่อไปมีโมเลกุลอะแด็ปเตอร์ 4 อย่างที่รู้ว่ามีบทบาทในการส่งสัญญาณ คือ Myd88, TIRAP, TRIF, และ TRAM[45][46][47]อะแด็ปเตอร์เหล่านี้จะเริ่มการทำงานของโมเลกุลในเซลล์อื่น ๆ รวมทั้ง IRAK1, IRAK4, TBK1, และ IKKi เป็นการขยายสัญญาณซึ่งในที่สุดนำไปสู่การเหนี่ยวนำหรือการยับยั้งการแสดงออกของยีนที่ทำให้เกิดการตอบสนองต่าง ๆ ยีนเป็นพัน ๆ เริ่มทำงานเนื่องกับการส่งสัญญาณแบบ TLR ซึ่งแสดงนัยว่า กระบวนการนี้เป็นทางผ่านที่สำคัญในการควบคุมการแสดงออกของยีน

ช่องไอออนที่เปิดปิดโดยลิแกนด์

ช่องไอออนที่เปิดปิดโดยลิแกนด์ (ligand-gated ion channel) เมื่อจับกับลิแกนด์ก็จะเปลี่ยนโครงรูป แล้วเปิดช่องที่เยื่อหุ้มเซลล์ให้ไอออนซึ่งเป็นตัวส่งสัญญาณสามารถผ่านเข้าได้

ตัวอย่างของกลไกนี้พบได้ที่ไซแนปส์ของเซลล์ประสาทซึ่งเป็นตัวรับสัญญาณคือ ไอออนที่ไหลเข้าไปในช่องที่เปิดโดยกระบวนการนี้ จะนำไปสู่การสร้างศักยะงานที่ส่งไปตามเส้นประสาทเพราะไอออนที่ไหลเข้าจะลดขั้วเซลล์ ซึ่งนำไปสู่การเปิดช่องไอออนที่เปิดปิดด้วยศักย์ไฟฟ้า (voltage-gated ion channel)

ตัวอย่างของไอออนที่ไหลเข้าในเซลล์เมื่อช่องไอออนเปิดปิดด้วยลิแกนดต์เปิดก็คือ Ca2+ซึ่งทำหน้าที่เป็นโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองโดยจุดชนวนลำดับการส่งสัญญาณที่เปลี่ยนสรีรภาพของเซลล์ซึ่งมีผลขยายการตอบสนองต่อสัญญาณทางไซแนปส์ โดยเปลี่ยนลักษณะของเดนไดรติก สไปน์ ที่ไซแนปส์

หน่วยรับในเซลล์

หน่วยรับในเซลล์ เช่น หน่วยรับที่นิวเคลียส (nuclear receptor) และหน่วยรับในไซโทพลาสซึม (cytoplasmic receptor) เป็นโปรตีนละลายได้และอยู่เฉพาะที่ ๆลิแกนด์ทั่ว ๆ ไปของหน่วยรับที่นิวเคลียส จะเป็นฮอร์โมนไร้ขั้ว เช่น สเตอรอยด์ เทสโทสเตอโรน โพรเจสเทอโรน และสารอนุพันธ์ของวิตามินเอและวิตามินดีเมื่อลิแกนด์จับกับหน่วยรับ คอมเพล็กซ์ลิแกนด์+หน่วยรับก็จะผ่านเยื่อนิวเคลียสเข้าไปในนิวเคลียสแล้วเปลี่ยนการแสดงออกของยีน

หน่วยรับกัมมันต์จะเข้ายึดกับดีเอ็นเอที่ลำดับ hormone-responsive element (HRE) โดยเฉพาะ ซึ่งอยู่ในบริเวณ promoter ของยีนที่จะเริ่มทำงานเนื่องกับคอมเพล็กซ์ฮอร์โมน-หน่วยรับฮอร์โมนทั้งหมดที่มีฤทธิ์ควบคุมการแสดงออกของยีน มีลักษณะสองอย่างตามกลไกการทำงานของมันคือใช้เวลานานก่อนจะเกิดผลและผลก็จะคงยืนเป็นเวลานานด้วย แม้หลังจากความเข้มข้นจะลดจนเหลือ 0 เนื่องจากเอนไซม์และโปรตีนโดยมากจะหมุนเวียนค่อนข้างช้า แต่เป็นเอนไซม์และโปรตีนซึ่งจำเป็นเพื่อยุติการจับกันระหว่างลิแกนด์กับหน่วยรับ

หน่วยรับในเซลล์บางอย่างของระบบภูมิคุ้มกันจะอยู่ในไซโทพลาซึมหน่วยรับ NOD-like receptors (NLRs) ที่พึ่งค้นพบได้ไม่นาน อยู่ในไซโทพลาซึมของเซลล์ยูแคริโอตบางอย่าง และมีปฏิสัมพันธ์กับลิแกนด์โดยใช้ leucine-rich repeat (LRR) motif เหมือนกับ TLRคือ โมเลกุลเหล่านี้บางส่วนเช่น NOD2 จะมีปฏิสัมพันธ์กับ RIP2 kinase ที่เริ่มการส่งสัญญาณของ NF-κB และบางส่วนเช่น NALP3 จะมีปฏิสัมพันธ์กับเอนไซม์ caspase ซึ่งเกี่ยวกับกระบวนการอักเสบ แล้วจุดชนวนการดำเนินงานกับ cytokine โดยเฉพาะ ๆ เช่น interleukin-1β[48][49]