โมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง (อังกฤษ: Second messenger) เป็นโมเลกุลให้สัญญาณภายในเซลล์ (intracellular signaling molecule) ที่เซลล์หลั่งออกเพื่อเริ่มการเปลี่ยนแปลงทางสรีรภาพ เช่น การเพิ่มจำนวนเซลล์ (proliferation) การเปลี่ยนสภาพ (differentiation) การอพยพย้ายที่ การรอดชีวิต และอะพอพโทซิสดังนั้น โมเลกุลส่งสัญญาณที่สองจึงเป็นองค์ประกอบเริ่มต้นองค์หนึ่งที่จุดชนวนลำดับการถ่ายโอนสัญญาณ (signal transduction) ภายในเซลล์ ตัวอย่างของโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองรวมทั้ง cyclic adenosine monophosphate (cAMP), cyclic guanosine monophosphate (cGMP), inositol trisphosphate (IP3), ไดกลีเซอไรด์ และแคลเซียมเซลล์จะหลั่งโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองเมื่อได้รับโมเลกุลส่งสัญญาณนอกเซลล์ ซึ่งเรียกว่า โมเลกุลส่งสัญญาณที่หนึ่ง (first messenger)และเป็นปัจจัยนอกเซลล์ บ่อยครั้งเป็นฮอร์โมนหรือสารสื่อประสาท เช่น เอพิเนฟรีน, growth hormone, และเซโรโทนินเพราะฮอร์โมนแบบเพปไทด์และสารสื่อประสาทปกติจะเป็นโมเลกุลชอบน้ำจึงไม่อาจผ่านข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งเป็นชั้นฟอสโฟลิพิดคู่ เพื่อเริ่มการเปลี่ยนแปลงภายในเซลล์โดยตรง นี่ไม่เหมือนฮอร์โมนแบบสเตอรอยด์ซึ่งปกติจะข้ามได้การทำงานที่จำกัดเช่นนี้จึงทำให้เซลล์ต้องมีกลไกถ่ายโอนสัญญาณ เพื่อเปลี่ยนการส่งสัญญาณของโมเลกุลที่หนึ่งให้เป็นการส่งสัญญาณของโมเลกุลที่สอง คือให้สัญญาณนอกเซลล์แพร่กระจายไปภายในเซลล์ได้ลักษณะสำคัญของระบบนี้ก็คือ โมเลกุลส่งสัญญาณที่สองอาจจับคู่ในลำดับต่อ ๆ ไปกับกระบวนการทำงานของ kinase แบบ multi-cyclic เพื่อขยายกำลังสัญญาณของโมเลกุลส่งสัญญาณแรกอย่างมหาศาล[1][2]ยกตัวอย่างเช่น RasGTP จะเชื่อมกับลำดับการทำงานของ Mitogen Activated Protein Kinase (MAPK) เพื่อขยายการส่งสัญญาณแบบ allosteric ของปัจจัยการถอดรหัส (transcription factor) เพื่อเพิ่มจำนวนเซลล์ เช่น Myc และ CREBนักเภสัชวิทยาและเคมีชีวภาพชาวอเมริกัน เอิร์ล วิลเบอร์ ซัทเทอร์แลนด์ จูเนียร์ (Earl Wilbur Sutherland, Jr) เป็นผู้ค้นพบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สอง เป็นงานที่เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี ค.ศ. 1971คือเขาได้สังเกตว่า เอพิเนฟรีนกระตุ้นให้ตับเปลี่ยนไกลโคเจนเป็นกลูโคสภายในเซลล์ตับ แต่เอพิเนฟรินโดยตนเองจะไม่เปลี่ยนไกลโคเจนแล้วพบว่า เอพิเนฟรินต้องเริ่มการทำงานของโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองคือ cAMP เพื่อให้ตับเปลี่ยนไกลโคเจนเป็นกลูโคส[3]ต่อมา นักเคมีชีวภาพชาวอเมริกันมาร์ติน ร็อดเบลล์ (Martin Rodbell) และอัลเฟร็ด จี กิลแมน (Alfred G. Gilman) ได้แสดงกลไกการทำงานเช่นนี้อย่างละเอียด ผู้ต่อมาได้รางวัลโนเบลปี 1994[4][5]ระบบโมเลกุลส่งสัญญาณที่สองสามารถสังเคราะห์และให้เริ่มทำงานโดยอาศัยเอนไซม์ เช่น เอนไซม์ cyclase ที่สังเคราะห์ cyclic nucleotide หรืออาศัยการเปิดช่องไอออนที่ปล่อยให้ไอออนโลหะไหลเข้ามาในเซลล์ เช่น ในการให้สัญญาณของ Ca2+ โมเลกุลเล็ก ๆ เหล่านี้จะจับกับแล้วเริ่มการทำงานของ protein kinases, ของช่องไอออน และของโปรตีนอื่น ๆ ซึ่งดำเนินการให้สัญญาณลำดับต่อไป