เพื่อให้เข้าใจกลไกการออกฤทธิ์ของฮอร์โมน อาจแบ่งฮอร์โมนออกเป็น 2 ชนิดดังนี้

กลุ่มที่ละลายน้ำได้ดีเพราะว่ามีโครงสร้างทางเคมีที่ชอบน้ำได้แก่

 - ฮอร์โมนประเภทโปรตีน เช่น โกรทฮอร์โมน โพรแลกทิน อินซูลิน กลูคากอน แคลซิโทนิน    พาราไทรอยด์ฮอร์โมน

- ไกลโคโปรตีน เช่น เอฟเอสเอช(FSH),แอลเอช(LH) และทีเอสเอช (TSH)

- เปปไทด์ เช่น ออกซิโทซิน    เอดีเอช(ADH), จีเอ็นอาร์เอช(GnRH),ทีอาร์เอช(TRH) และ เอ็มเอสเอช(MSH)

- เอมีนฮอร์โมน เช่น อิพิเนฟริน นอร์อิพิเนฟริน

กลุ่มนี้ ไม่สามารถแพร่เข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์ได้ จำเป็นต้องอาศัยการทำงานผ่านตัวสื่อสัญญาณ ตัวที่สอง กระตุ้นให้มีการออกฤทธิ์ในเซลล์อีกที

เป็นกลุ่มสเตรอยด์ ได้แก่ โพรเจสเทอโรน อีสโทรเจน คอร์ติซอล แอลโดสเตอโรน เนื่องจากละลายในไขมันได้ดี จึงแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ ที่มีส่วนประกอบเป็นไขมันได้

ระบบต่อมไร้ท่อใช้ฮอร์โมน และสารกระตุ้นการเจริญเติบโตของเซลล์ ที่เรียกว่าโกรท แฟคเตอร์ (growth factor) สารเหล่านี้ จะไหลเวียนไปในกระแสเลือด จนไปถึงอวัยวะ ที่มีตัวรับสัญญาณ (receptor) ที่จำเพาะเจาะจงในอวัยวะเป้าหมาย (target organ) เท่านั้น

ตัวอย่างอวัยวะเป้าหมายของฮอร์โมนจากต่อมใต้สมอง

เซลล์หรืออวัยวะเป้าหมาย หมายถึง อวัยวะที่มีตัวรับสัญญาณ (receptor) ของฮอร์โมนนั้นอยู่     ดังนั้น แม้ว่าจะมีฮอร์โมนไหลเวียนไป กับกระแสเลือดทั่วร่างกาย พร้อมๆ กัน แต่ฮอร์โมนหนึ่ง ก็จะมีผลต่อเซลล์หรืออวัยวะเป้าหมายเฉพาะ เช่น ฮอร์โมนไทรอยด์สติมูเลติงฮอร์โมน (TSH) มีผลต่อต่อมไทรอยด์ อินซูลินมีผลที่ตับ กล้ามเนื้อ เป็นต้น

ตัวรับสัญญาณ เป็นโปรตีนหรือไกลโคโปรตีน ที่มีความสามารถในการจับกับฮอร์โมนสูง (high affinity) เนื่องจากความเข้มข้นของฮอร์โมนในกระแสเลือดต่ำมากคือ 10^-11 - 10 ^-9 โมลาร์เท่านั้น แต่ตัวรับสัญญาณก็สามารถจำได้ เนื่องจากมีความจำเพาะสูง (high specificity) ด้วย

ตัวรับสัญญาณอยู่ได้หลายที่ เช่น ที่เยื่อหุ้มเซลล์ ได้แก่ ตัวรับสัญญาณของฮอร์โมนที่ละลายน้ำได้ เช่น อิพิเนฟริน กลูคากอน อินซูลิน เป็นต้น

ตัวรับสัญญาณที่อยู่ที่ในนิวเคลียส หรือภายในไซโตพลาสซึม ได้แก่ สเตรอยด์ฮอร์โมนหรือ ไทรอยด์ฮอร์โมนที่ละลายน้ำได้ไม่ดี แต่สามารถแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ที่มีส่วนประกอบเป็นไขมันได้

ตัวอย่างตำแหน่งตัวรับสัญญาณที่มีทั้งที่เยื่อหุ้มเซลล์และภายในเซลล์

        ฮอร์โมนมีผลต่อจำนวนตัวรับสัญญาณมาก เช่นถ้าฮอร์โมนมีระดับสูงในกระแสเลือดเป็นเวลานานๆ จะทำให้จำนวนตัวรับสัญญาณลดลง (down regulation) หรือลดความไวในการตอบสนอง เพื่อไม่ให้เซลล์ถูกกระตุ้นมากเกินไป แต่ถ้าลดจำนวนตัวรับสัญญาณมากเกินไป อาจทำให้ดื้อต่อฮอร์โมนได้ คือมีฮอร์โมนในกระแสเลือดมาก แต่ร่างกายไม่ตอบสนอง เช่น ผู้ที่เป็นเบาหวานชนิดที่ไม่ต้องรักษาด้วยอินซูลิน

ฮอร์โมนหนึ่ง อาจมีผลเพิ่มจำนวนตัวรับสัญญาณ(up regulation)ของฮอร์โมนอีกชนิดหนึ่ง เช่น ในช่วงแรกของรอบเดือน อีสโทรเจนและ เอฟเอสเอช(FSH) จะเพิ่มจำนวนตัวรับสัญญาณของ แอลเอช (LH)ทำให้เซลล์ของอวัยวะเป้าหมายไวต่อการกระตุ้นของLH มากขึ้น แต่ถ้ามีฮอร์โมนมากเกินไป ก็จะมีผลกระทบมากเกินไปได ้เช่นการทำงานของฮอร์โมนแคททีโคลามีน ที่ทำให้ใจสั่น เหงื่อออก ความดันโลหิตสูงได้

การเพิ่มจำนวนตัวรับสัญญาณฮอร์โมน และการลดลงของตัวรับสัญญาณฮอร์โมน เพื่อให้ฮอร์โมนทำงานได้และเพื่อไม่ให้เซลล์ถูกกระตุ้นมากเกินไป

ฮอร์โมนมีกลไกการออกฤทธิ์หลายแบบ ดังนี้

ฮอร์โมนที่ออกฤทธิ์เช่นนี้ คือฮอร์โมนประเภทที่มีตัวรับสัญญาณเป็นโปรตีน ที่แทรกอยู่ใน เยื่อหุ้มเซลล์ (integral protein) ได้แก่เปปไทด์ฮอร์โมน ฮอร์โมนประเภทโปรตีนและแคททีโคลามีน ซึ่งมีคุณสมบัติละลายน้ำได้ดี (hydrophilic) ทำให้ไม่สามารถซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของเซลล์เป้าหมายได้ ฮอร์โมนประเภทนี้ ต้องอาศัยการส่งสัญญาณ โดยผ่านตัวสื่อสัญญาณตัวที่สองภายในเซลล์ (secondary messenger) เพื่อกระตุ้น การตอบสนองของเซลล์เป้าหมาย ฮอร์โมนใช้ตัวสื่อสัญญาณตัวที่สองได้หลายชนิด

ประเภทที่ 1 ได้แก่ อะดิโนซีน - 3' , 5' - โมโนฟอสเฟต หรือเรียกย่อๆ ว่าไซคลิก เอ เอ็ม พี (adenosine -3' , 5' -monophosphate : cAMP)    กัวโนซีน -3' , 5' - โมโนฟอสเฟตหรือเรียกย่อๆ ว่าไซคลิก จี เอ็ม พี (guanosine-3' , 5' -- monophosphate : cGMP ) ไอนอซิทอลไทรฟอสเฟต (inositol triphosphate : IP 3) ซึ่งส่วนใหญ่กระตุ้นผ่าน จี โปรตีน

ประเภทที่ 2 ได้แก่ ตัวรับสัญญาณที่มีคุณสมบัติเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเอง โดยด้านนอกจับกับ ฮอร์โมนแต่ด้านในจับกับไทโรซีนไคเนส (tyrosine kinase) ที่สามารถเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ต่อไป

                 ประเภทที่ 3 ตัวรับสัญญาณที่มีคุณสมบัติเป็นตัวควบคุมการเปิด ปิดช่องสำหรับไอออน เช่นแคลเซียม โซเดียม โปแตสเซียม ซึ่งอาจจะไม่ใช่ฮอร์โมนก็ได้

ฮอร์โมนจะจับกับตัวรับสัญญาณ (receptor) ที่แทรกอยู่ที่เยื่อหุ้มเซลล์ ฮอร์โมน จึงเป็นเหมือน ตัวรับสัญญาณตัวที่หนึ่ง (first messenger) เมื่อฮอร์โมน จับกับตัวรับสัญญาณ ที่จำเพาะ ที่ยื่นออกมาด้านนอกของเยื่อหุ้มเซลล์ (surface receptor) จะกระตุ้นผ่าน จี โปรตีน แล้วจะส่งสัญญาณไปกระตุ้นเอนไซม์ ชื่อ อะดินิลไซเคลส (adenyl  cyclase) หรืออะดินิเลท ไซเคลส (adenylate cyclase) ที่อยู่บริเวณเยื่อหุ้มเซลล์ด้านใน ซึ่งเอนไซม์นี้จะเปลี่ยนสารพลังงานสูงอะดีโนซีน ไทรฟอสเฟต หรือเอทีพี(adenosine triphosphate : ATP) ให้เป็นอะดิโนซีน 3 ' , 5 ' โมโนฟอสเฟต (adenosine3 ' , 5 ' monophosphate : cAMP) ซึ่งได้ชื่อว่า เป็นตัวสื่อสัญญาณตัวที่สอง ( secondary messenger ) cAMP จะไปกระตุ้น การทำงานของเอนไซม์โปรตีนไคเนส (protein kinase) เอนไซม์ไคเนส จะออกฤทธิ์กระตุ้น โดยการเติมหมู่ฟอสเฟต (protein phosphorylation) หรือยับยั้ง โดยการตัด หมู่ฟอสเฟต (dephosphorylation ) ออกจากโมเลกุลของสารเร่งปฏิกิริยานั้นๆ

การทำงานของฮอร์โมนที่ออกฤทธิ์ที่เยื่อหุ้มเซลล์ เมื่อยังไม่มีฮอร์โมนมาจับ จี โปรตีนจะจับกับจี ดี พี

1. ฮอร์โมนทำปฏิกิริยากับตัวรับสัญญาณ

2. ตัวรับสัญญาณจับกับจี โปรตีน จีดีพีหลุดออก

3. จี ที พี จับกับจี  โปรตีนแทนที่ จี ดี พี        ส่วนของจี โปรตีนที่จับกับ จี ที พี (Gs α .GTP)                เท่านั้นที่ไปกระตุ้นเอนไซม์อะดินิเลท  ไซเคลส

4. เอนไซม์อะดินิเลท  ไซเคลสสร้าง cAMP จาก ATP

5.ไซคลิก เอ เอ็ม พี กระตุ้นเอนไซม์โปรตีน ไคเนส

6. โปรตีน ไคเนสกระตุ้นเอนไซม์เฉพาะให้มีการตอบสนองแต่ละชนิดของฮอร์โมน

           7. เอนไซม์เฉพาะจะสร้างผลผลิตจากสารตั้งต้น

จี โปรตีน (G protein) ประกอบด้วย 3 หน่วยย่อย คือ แอลฟา (α ) เบต้า (β) และแกมม่า ( γ) เป็นโปรตีนตัวกลางระหว่างตัวรับสัญญาณ (receptor) และเอนไซม์ ชื่อ อะดินิลไซเคส (adenyl cyclase) เพื่อที่ จะสร้างตัวสื่อสัญญาณตัวที่สอง ซึ่งได้แก่ไซคลิก อะดีโนซีน โมโนฟอสเฟต (cyclic adenosine monophosphate : cAMP) จี โปรตีนมีหน่วยเบตาและหน่วยแกมมาเหมือนกัน ต่างกันที่หน่วยแอลฟา โดยที่แอลฟา เอส จะเป็นแบบกระตุ้น (Gs )การทำงานของ เอนไซม์อะดินิล ไซเคลส แต่แอลฟา ไอ (Gi )จะยับยั้งการทำงานของ เอนไซม์อะดินิลไซเคลส

เมื่อยังไม่มีฮอร์โมนมาจับกับตัวรับสัญญาณ หน่วยแอลฟาของจี โปรตีนจะจับกับจี ดี พี (guanine nucleotide binding protein : GDP) ซึ่งเป็นสภาพที่ยังไม่ทำงาน (inactive state) แต่เมื่อมีฮอร์โมนมาจับกั บตัวรับสัญญาณ จี ดี พี จะหลุดออกจากหน่วยแอลฟาแล้วจี ที พี จะมาจับแทนที่จี ดี พี

ส่วนประกอบของ จี โปรตีน และการจับของ GTP ที่หน่วยแอลฟาแทนที่ GDP

หลังจากนั้นหน่วยแอลฟาจะแยกจากหน่วยเบตาและหน่วยแกมมา ซึ่งขณะนี้จะอยู่ในรูปที่ทำงานได้ (active state) แล้วจะไปกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์อะดินิลไซเคลส (adenyl  cyclase: AC) ให้เปลี่ยนสารพลังงานสูงเอ ที พี (ATP) เป็น cAMP ภายหลังจากนั้น GTP จะถูกย่อยโดยน้ำ (hydrolysis) ทำให ้GTP เปลี่ยนกลับมาเป็นGDP ซึ่งจะอยู่ในสภาพไม่ทำงาน  (inactive) อีกครั้ง    หลังจากการทำงานสิ้นสุดลง หน่วยแอลฟาจะกลับมารวมกับหน่วย เบตาและหน่วยแกมมา และอยู่ในสภาพไม่ทำงานอีกครั้งด้วย

ฮอร์โมนในกลุ่มนี้ได้แก่ฮอร์โมนประเภท สเตรอยด์ฮอร์โมนและไทรอยด์ฮอร์โมน ดังได้กล่าวมาแล้วว่า สเตรอยด์ฮอร์โมน สร้างมาจากคอเลสเทอรอล ในต่อมไร้ท่อหลายๆ แห่งซึ่งมีคุณสมบัติละลายในไขมัน ทำให้ไม่ละลายในกระแสเลือด (blood plasma) ที่ส่วนใหญ่เป็นน้ำ ดังนั้น จึงต้องจับกับโปรตีนขนส่ง (carrier protein) ซึ่งได้แก่ โกลบูลิน (globulin) และอัลบูมิน (albumin) เมื่อไปถึงเซลล์เป้าหมาย ฮอร์โมนจึงแยกจากโปรตีน ขนส่งแพร่เข้าสู่เยื่อหุ้มเซลล์ ไปจับกับตัวรับสัญญาณในไซโทพลาสซึม หรือในนิวเคลียส  ตัวรับสัญญาณ จะมีที่จับ 2 ด้าน ด้านหนึ่งจะจับกับฮอร์โมน (hormone binding site) อีกด้านหนึ่งจะจับกับดีเอ็นเอ (DNA binding site) ซึ่งจำเพาะต่อฮอร์โมนแต่ละชนิดเท่านั้น เมื่อยังไม่มีฮอร์โมนมาจับ ด้านในจะจับอยู่กับโปรตีนที่เรียกว่าฮีทชอล์กโปรตีน (heat shock protein : hsp90) ซึ่งทำให้ตัวรับสัญญาณ พร้อมจะจับกับฮอร์โมน   เมื่อมีฮอร์โมนมาจับจะทำให้โมเลกุลของตัวรับสัญญาณ เปลี่ยนรูป (conformation change) ทำให้ hsp90 หลุดออก และจับกับดีเอ็นเอแทน เป็น ฮอร์โมน รีเซฟเตอร์ คอมเฟล็กซ์  (hormone receptor complex) กระตุ้นให้มีการถอดรหัสสร้างเอม อาร์เอนเอ(mRNA) เพื่อที่จะสร้างโปรตีน หรือเอนไซม์ตามการตอบสนอง แต่ละชนิดของฮอร์โมน จำนวนการสร้าง สเตรอยด์ฮอร์โมน จะขึ้นอยู่กับการมีฮอร์โมน รีเซฟเตอร์ คอมเฟล็กซ์ มากเพียงใด ถ้ามีมากก็จะสร้างเอ็ม อาร์เอนเอ (mRNA) และโปรตีนได้มาก

การทำงานของสเตรอยด์ฮอร์โมน

         1. สเตรอยด์ฮอร์โมนแพร่เข้าสู่เซลล์โดยแพร่ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์

         2. ตัวรับสัญญาณสเตรอยด์ฮอร์โมนมีทั้งในไซโตพลาซึมและในนิวเคลียส

         3. ฮอร์โมนจับกับตัวรับสัญญาณฮอร์โมน

         4. ฮอร์โมนจับกับตัวรับสัญญาณและดีเอ็นเอ กระตุ้นให้ยีนจำเพาะในดีเอ็นเอถอดรหัส

         5. สร้างเอ็มอาร์เอ็นเอ

         6. เอ็มอาร์เอ็นเอ เป็นแม่แบบในการสร้างโปรตีน

ดูภาพเคลื่อนไหวของการออกฤทธิ์ภายในเซลล์

        การทำงานของเปปไทด์ฮอร์โมน หรือเอมีนฮอร์โมน โดยผ่านระบบตัวสื่อสัญญาณตัวที่สองเช่น cAMP จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว สามารถขยายสัญญาณให้เซลล ์ตอบสนองได้เป็นจำนวนมาก ตัวรับสัญญาณ 1 ตัวสามารถกระตุ้น จี โปรตีน ให้ขยายสัญญาณได้หลายเท่าตัว โดยจีโปรตีนจะไปกระตุ้นเอนไซม์อะดินิล ไซเคส ซึ่งสามารถเปลี่ยน ATP ให้เปลี่ยนไปเป็น cAMP ได้หลายๆ ตัวและ cAMP แต่ละตัวก็สามารถไปกระตุ้นโปรตีนไคเนสซึ่งเป็นเอนไซม์เช่นกัน สามารถเติมฟอสเฟตให้แก่โปรตีนและเอนไซม์อื่นๆ ได้อีกมากมายเช่นกัน