乙酰膽堿，分子式CH3COOCH2CH2N+（CH3）3在神經細胞中，乙酰膽堿是由膽堿和乙酰輔酶A在膽堿乙酰移位酶（膽堿乙酰化酶）的催化作用下合成的。由于該酶存在于胞漿中，因此乙酰膽堿在胞漿中合成，合成后由小泡攝取并貯存起來。
進入突觸間隙的乙酰膽堿作用于突觸后膜發揮生理作用后（乙酰膽堿可引起受體膜產生動作電位），就被膽堿酯酶水解成膽堿和乙酸，這樣乙酰膽堿就被破壞而推動了作用（迅速分解是為了避免受體細胞膜持續去極化而造成的傳導阻滯），這一過程稱為失活。
引起乙酰膽堿量子性釋放的關鍵因素是神經末梢去極化引起的Ca2+內流。當神經沖動傳至神經終板時，膜電位下降，導致可使Ca2+通過的電壓閘門通道開放， 使Ca2+進入終板，從而刺激終板分泌乙酰膽堿。乙酰膽堿再進一步作用于肌細胞導致肌細胞收縮。