La biología molecular ha demostrado que los receptores nicotínicos y muscarínicos pertenecen a superfamilias de proteínas distintas. Los receptores nicotínicos son de dos tipos: Nm y Nn. El Nm se localiza en la unión neuromuscular y provoca la contracción de los músculos esqueléticos mediante el potencial de placa final (EPP). El Nn provoca una despolarización en los ganglios autónomos que da lugar a un impulso postganglionar. Los receptores nicotínicos provocan la liberación de catecolaminas en la médula suprarrenal, así como la excitación o inhibición específica en el cerebro. Tanto Nm como Nn están vinculados a canales de Na+ y Ca2+, pero Nn también está vinculado a un canal de K+ adicional.
nAChREdit
Los nAChRs son canales iónicos activados por ligando y, al igual que otros miembros de la superfamilia de canales iónicos activados por ligando «cys-loop», están compuestos por cinco subunidades proteicas dispuestas simétricamente como duelas alrededor de un barril. La composición de las subunidades es muy variable en los distintos tejidos. Cada subunidad contiene cuatro regiones que abarcan la membrana y constan de aproximadamente 20 aminoácidos. La región II, que se encuentra más cerca del lumen del poro, forma el revestimiento del poro.
La unión de la acetilcolina al extremo N de cada una de las dos subunidades alfa provoca la rotación de 15° de todas las hélices M2. El lado del citoplasma del receptor nAChR tiene anillos de alta carga negativa que determinan la especificidad catiónica del receptor y eliminan la cáscara de hidratación que suelen formar los iones en solución acuosa. En la región intermedia del receptor, dentro del lumen del poro, los residuos de valina y leucina (Val 255 y Leu 251) definen una región hidrofóbica a través de la cual debe pasar el ion deshidratado.
El nAChR se encuentra en los bordes de los pliegues de unión en la unión neuromuscular en el lado postsináptico; se activa por la liberación de acetilcolina a través de la sinapsis. La difusión de Na+ y K+ a través del receptor provoca una despolarización, el potencial de placa final, que abre los canales de sodio activados por voltaje, lo que permite el disparo del potencial de acción y potencialmente la contracción muscular.
mAChREdit
En cambio, los mAChR no son canales iónicos, sino que pertenecen a la superfamilia de receptores acoplados a proteínas G que activan otros canales iónicos a través de una cascada de segundos mensajeros.El receptor colinérgico muscarínico activa una proteína G cuando se une a la ACh extracelular. La subunidad alfa de la proteína G activa la guanilato ciclasa (inhibiendo los efectos del AMPc intracelular) mientras que la subunidad beta-gamma activa los canales K y, por tanto, hiperpolariza la célula. Esto provoca una disminución de la actividad cardíaca.