Die Molekularbiologie hat gezeigt, dass die nikotinischen und muskarinischen Rezeptoren zu unterschiedlichen Protein-Superfamilien gehören. Nikotinrezeptoren gibt es in zwei Typen: Nm und Nn. Nm befindet sich in der neuromuskulären Verbindung, die die Kontraktion der Skelettmuskeln über das Endplattenpotenzial (EPP) bewirkt. Nn bewirkt eine Depolarisation in den autonomen Ganglien, die zu einem postganglionären Impuls führt. Nikotinrezeptoren bewirken die Freisetzung von Katecholamin aus dem Nebennierenmark und auch eine ortsspezifische Erregung oder Hemmung im Gehirn. Sowohl Nm als auch Nn sind mit Na+- und Ca2+-Kanälen verbunden, aber Nn ist auch mit einem zusätzlichen K+-Kanal verbunden.
nAChREdit
Die nAChRs sind ligandengesteuerte Ionenkanäle und bestehen wie andere Mitglieder der Überfamilie der ligandengesteuerten Ionenkanäle mit „Cys-Schleife“ aus fünf Proteinuntereinheiten, die symmetrisch wie Dauben um ein Fass angeordnet sind. Die Zusammensetzung der Untereinheiten ist in den verschiedenen Geweben sehr unterschiedlich. Jede Untereinheit enthält vier Regionen, die die Membran überspannen und aus etwa 20 Aminosäuren bestehen. Region II, die dem Porenlumen am nächsten liegt, bildet die Porenauskleidung.
Die Bindung von Acetylcholin an die N-Termini jeder der beiden Alpha-Untereinheiten führt zu einer 15°-Drehung aller M2-Helices. Auf der Zytoplasmaseite des nAChR-Rezeptors befinden sich Ringe mit hoher negativer Ladung, die die spezifische Kationenspezifität des Rezeptors bestimmen und die Hydratationsschale entfernen, die häufig von Ionen in wässriger Lösung gebildet wird. In der Zwischenregion des Rezeptors, innerhalb des Porenlumens, definieren Valin- und Leucinreste (Val 255 und Leu 251) eine hydrophobe Region, durch die das dehydrierte Ion hindurchtreten muss.
Der nAChR befindet sich an den Rändern der Verbindungsfalten an der neuromuskulären Verbindung auf der postsynaptischen Seite; er wird durch die Freisetzung von Acetylcholin an der Synapse aktiviert. Die Diffusion von Na+ und K+ durch den Rezeptor verursacht eine Depolarisation, das Endplattenpotential, das spannungsabhängige Natriumkanäle öffnet, was die Zündung des Aktionspotentials und möglicherweise die Muskelkontraktion ermöglicht.
mAChREdit
Im Gegensatz dazu sind die mAChRs keine Ionenkanäle, sondern gehören zur Superfamilie der G-Protein-gekoppelten Rezeptoren, die über eine Second-Messenger-Kaskade andere Ionenkanäle aktivieren.
Der cholinerge Muscarinrezeptor aktiviert ein G-Protein, wenn er an extrazelluläres ACh gebunden ist. Die Alpha-Untereinheit des G-Proteins aktiviert die Guanylatzyklase (und hemmt damit die Wirkung von intrazellulärem cAMP), während die Beta-Gamma-Untereinheit die K-Kanäle aktiviert und damit die Zelle hyperpolarisiert. Dies führt zu einer Abnahme der Herztätigkeit.