Molekylærbiologi har vist, at nikotin- og muscarinreceptorerne tilhører forskellige proteinsuperfamilier. Nikotiniske receptorer er af to typer: Nm og Nn. Nm er placeret i det neuromuskulære knudepunkt, som forårsager sammentrækning af skeletmuskler ved hjælp af endpladepotentiale (EPP’er). Nn forårsager depolarisering i de autonome ganglier, hvilket resulterer i postganglionære impulser. Nikotinreceptorer forårsager frigivelse af katekolamin fra binyremarven og også stedspecifik excitation eller hæmning i hjernen. Både Nm og Nn er Na+- og Ca2+-kanaler forbundet, men Nn er også forbundet med en ekstra K+-kanal.
nAChREdit
NAChR’erne er ligand-gated ionkanaler, og ligesom andre medlemmer af “cys-loop” ligand-gated ionkanal superfamilien, er de sammensat af fem proteinunderenheder symmetrisk arrangeret som stave omkring en tønde. Underenhedssammensætningen er meget variabel på tværs af forskellige væv. Hver underenhed indeholder fire regioner, som spænder over membranen og består af ca. 20 aminosyrer. Region II, som sidder tættest på porelumenet, danner poreforingen.
Binding af acetylcholin til N-terminalerne af hver af de to alfa-underenheder resulterer i en 15° rotation af alle M2-helicer. Cytoplasmasiden af nAChR-receptoren har ringe med høj negativ ladning, der bestemmer receptorens specifikke kationspecificitet og fjerner den hydreringsskal, der ofte dannes af ioner i vandig opløsning. I receptorens mellemliggende område inden for porelumenet definerer valin- og leucinrester (Val 255 og Leu 251) et hydrofobt område, som den dehydrerede ion skal passere igennem.
NAChR findes ved kanterne af junctional folder ved det neuromuskulære knudepunkt på den postsynaptiske side; den aktiveres af acetylcholinfrigivelse på tværs af synapsen. Diffusionen af Na+ og K+ på tværs af receptoren forårsager depolarisering, endpladepotentialet, der åbner spændingsstyret natriumkanaler, hvilket giver mulighed for affyring af aktionspotentialet og potentielt muskelkontraktion.
mAChREdit
Derimod er mAChR’erne ikke ionkanaler, men tilhører i stedet superfamilien af G-protein-koblede receptorer, der aktiverer andre ionkanaler via en second messenger-kaskade. mAChR’erne aktiverer et G-protein, når de er bundet til ekstracellulær ACh. G-proteinets alfa-underenhed aktiverer guanylatcyklase (hvilket hæmmer virkningerne af intracellulær cAMP), mens beta-gamma-underenheden aktiverer K-kanalerne og dermed hyperpolariserer cellen. Dette medfører et fald i hjerteaktiviteten.