Moleculaire biologie heeft aangetoond dat de nicotine- en muscarinereceptoren tot verschillende eiwit-superfamilies behoren. Er zijn twee soorten nicotinereceptoren: Nm en Nn. Nm bevindt zich in de neuromusculaire junctie die de contractie van skeletspieren veroorzaakt door middel van eindplaatpotentialen (EPP’s). Nn veroorzaakt depolarisatie in de autonome ganglia, wat leidt tot postganglionale impulsen. Nicotinereceptoren veroorzaken het vrijkomen van catecholamine uit het bijniermerg, en ook plaatsgebonden excitatie of inhibitie in de hersenen. Zowel Nm als Nn zijn gekoppeld aan Na+ en Ca2+ kanalen, maar Nn is ook gekoppeld aan een extra K+ kanaal.
nAChREdit
De nAChR’s zijn ligand-gated ionkanalen, en, net als andere leden van de “cys-loop” ligand-gated ionkanaal superfamilie, zijn samengesteld uit vijf eiwitsubeenheden symmetrisch gerangschikt als notenbalken rond een ton. De samenstelling van de subeenheden varieert sterk tussen de verschillende weefsels. Elke subeenheid bevat vier regio’s die het membraan omspannen en uit ongeveer 20 aminozuren bestaan. Regio II, die het dichtst bij de porie ligt, vormt de bekleding van de porie.
Binding van acetylcholine aan de N-termini van elk van de twee alfa-subeenheden resulteert in een rotatie van 15° van alle M2 helices. De cytoplasmazijde van de nAChR-receptor heeft ringen met een hoge negatieve lading die de specifieke kation specificiteit van de receptor bepalen en de hydratatieschil verwijderen die vaak gevormd wordt door ionen in waterige oplossing. In het tussenliggende gebied van de receptor, binnen het poriënlumen, definiëren valine- en leucineresiduen (Val 255 en Leu 251) een hydrofoob gebied waar het gedehydrateerde ion doorheen moet.
De nAChR wordt aangetroffen aan de randen van de junctionele plooien bij de neuromusculaire junctie aan de postsynaptische zijde; hij wordt geactiveerd door het vrijkomen van acetylcholine over de synaps. De diffusie van Na+ en K+ over de receptor veroorzaakt depolarisatie, de eindplaatpotentiaal, die spanningsafhankelijke natriumkanalen opent, waardoor de actiepotentiaal kan afvuren en mogelijk spiercontractie optreedt.
mAChREdit
De mAChR’s zijn daarentegen geen ionenkanalen, maar behoren in plaats daarvan tot de superfamilie van G-eiwit gekoppelde receptoren die andere ionenkanalen activeren via een tweede boodschapper cascade.De muscarine cholinerge receptor activeert een G-eiwit wanneer deze gebonden is aan extracellulaire ACh. De alfa-subeenheid van het G-eiwit activeert guanylaatcyclase (waardoor de effecten van intracellulair cAMP worden geremd), terwijl de bèta-gamma-subeenheid de K-kanalen activeert en daardoor de cel hyperpolariseert. Dit veroorzaakt een afname van de hartactiviteit.