能把激素或神經遞質的資訊傳到細胞內，並引起相應生理效應的細胞內的某種化學物質。大多數含氮激素及某些神經遞質在與細胞膜受體結合時，首先觸發細胞內某種化學物質的生成，進而通過該物質對細胞內多種代謝過程的影響而發揮生理作用。在此過程中，激素起第一信使的作用。一般認為，環腺苷酸(cAMP)是多數含氮激素作用的第二信使。此外，環鳥苷酸(cGMP)、鈣離子以及前列腺素也可能起第二信使作用或起輔助配合作用，使環腺苷酸能充分而完善地發揮作用。
<環腺苷酸(cAMP) 含氮激素（肽類、蛋白質類、胺類），一般分子較大，它們從內分泌腺分泌出來，經由血液到達靶組織後，並不直接進入細胞內發揮作用，而是與靶細胞膜上具有立體構型的專一性受體結合。這一結合隨即激活膜上的腺苷酸環化酶系統。在鎂離子存在的條件下，該酶促進腺苷三磷酸(ATP)轉變為環腺苷酸。環腺苷酸使無活性的蛋白激酶系統轉為有活性，從而激活磷酸化酶，引起靶細胞的固有的反應如：腺細胞的分泌、肌肉細胞的收縮、神經細胞動作電位的出現、細胞膜通透性的改變、細胞分裂與分化以及各種酶的反應等等。從含氮激素的作用機制來看，激素僅把信息傳遞至靶細胞表面，而後是由環腺苷酸接著把這個信息由細胞表面傳送到靶細胞內有關酶系，從而發揮激素對靶細胞功能的調節作用。因此，人們把激素叫做“第一信使”，而把環腺苷酸稱為“第二信使”，並把這一類激素作用機制的學說叫做“第二信使學說”（見圖）。第二信使學說是E.W.薩瑟蘭等在1965年研究糖原酵解第一步所需限速酶──磷酸化酶的活性時提出來的。該學說可以說明許多含氮激素的作用機制。
除環腺苷酸以外，有人發現，環腺苷酸與生物效應的關系不經常一致，例如，胰島素對脂肪與肝組織及肌肉都使糖原合成酶活性增加，但在前兩種組織內環腺苷酸濃度下降而在肌肉內卻上升；另外，當含氮激素使組織中環腺苷酸濃度發生改變時，常可見到環鳥苷酸也發生變化。因此，有人提出環腺苷酸可能不是唯一的第二信使，它需要“其他信使”的配合才能更完善地發揮其作用。目前已提出可能起第二信使作用或配合環腺苷酸發揮作用的物質有：
環鳥苷酸(cGMP) 1963年阿思爾曼等在鼠尿中發現環鳥苷酸，之後得到廣泛的證實。1980年喬基等研究乙酰膽堿在心肌細胞中的作用時，發現有環鳥苷酸參與。鳥苷酸環化酶的活性依賴環鳥苷酸的存在。此酶與腺苷酸環化酶不同，它由兩個相同的亞基組成，單純由於變構而被活化，無需亞基解離。
環鳥苷酸作為第二信使發揮作用是通過細胞內的G-激酶。此酶由環鳥苷酸激活，它使多種蛋白質磷酸化而產生多種生物效應。有趣的是發現在許多組織中，環腺苷酸的效應與環鳥苷酸正好相反，如一個引起興奮，而另一個則引起抑制，有人提出“陰陽”學說來形容這兩種環核苷酸的相互關系。
鈣離子(吿) 在某些含氮激素引起的生理過程中必需有鈣離子存在。例如，在引起胰島素和腎上腺素分泌的過程中，必須有鈣離子參與，單純給外源環腺苷酸不能引起分泌反應。因此，有人提出鈣離子可能是第二信使。
在研究下丘腦促黃體(生成)素釋放激素(LH-RH)的作用機制時發現，鈣離子可能是促黃體（生成）素釋放激素作用的第二信使，它確與促黃體（生成）素釋放激素促使促性腺激素釋放的機制密切相關。例如，用低鈣溶液沖洗培養的垂體細胞，可使之對促黃體(生成)素釋放激素的反應性完全喪失；阻斷細胞外鈣離子進入細胞內的藥物也能阻斷促黃體（生成）素釋放激素引起的促黃體激素釋放。用45Ca示蹤測定，證明促黃體(生成)素釋放激素可以特異地提高鈣離子通道的活性，在極短的時間內便可促使鈣離子移動，且這一作用先於促黃體激素的釋放。其次，用各種因子使鈣離子動員，以提高細胞漿內的鈣離子水平，可引起垂體細胞釋放促黃體激素。這些實驗都證明，在促黃體（生成）素釋放激素的作用機制中，鈣離子確實起到第二信使的重要作用。
至於鈣離子在細胞內的作用機制，目前尚未完全弄清。有人提出，鈣離子進入細胞後，可與細胞內的鈣調素結合，這是一種細胞內的與鈣離子有依賴性的調制蛋白，進而激活某些細胞內的酶系，從而引起細胞生理活性的改變。
前列腺素(PGS) 是一類具有獨特結構的二十碳羧酸、不飽和羥基脂肪酸。前列腺素，特別是前列腺素E與環腺苷酸的關系密切，例如，前列腺素E可以增加許多組織細胞內環腺苷酸的含量。進而發現，某些激素在增加細胞內環腺苷酸的同時，常伴有前列腺素的釋放。因此有人提出，在某些激素的作用機制中，可能先引起前列腺素釋放，進而激活腺苷酸環化酶，生成環腺苷酸，繼續傳遞信息。
對於除環腺苷酸以外的“第二信使”目前瞭解還很不夠。它們與環腺苷酸的關系如何？它們到底是起“第二信使”的作用或是輔助環腺苷酸發揮作用？它們在細胞內的作用機制如何？對於不同激素以及在不同靶細胞中，這些可能作為第二信使的化學物質的重要性有無差異？這一系列問題都還有待深入研究。