L’acetilcolina è sintetizzata dall’acetil coenzima A e dalla colina dall’enzima colina acetiltransferasi. Nel sistema nervoso, si pensa che questo enzima esista principalmente nel citoplasma dei terminali nervosi. Il coenzima A è sintetizzato nei mitocondri e accede alla colina acetiltransferasi dopo il trasporto attraverso la membrana mitocondriale nel citoplasma. Oltre alla sua sintesi nel fegato, la colina impiegata nella produzione di acetilcolina deriva da fonti alimentari. C’è un sistema di trasporto nelle cellule endoteliali capillari che è responsabile del trasporto della colina, nelle sue forme libere e fosfolipidiche, nel cervello. L’idrolisi dei fosfolipidi contenenti colina può anche liberare colina che viene utilizzata nella sintesi dell’acetilcolina. Poiché la colina acetiltransferasi non è saturata dalle concentrazioni di acetil coenzima A e colina che si stima siano presenti nel terminale nervoso, sembra che il tasso di sintesi dell’acetilcolina dipenda dalla disponibilità del precursore. L’attività enzimatica è anche regolata dall’inibizione del prodotto; legandosi a un sito allosterico sulla colina acetiltransferasi, l’acetilcolina inibisce la sua attività. Inoltre, l’azione di massa e l’attività neuronale influenzano il tasso di formazione dell’acetilcolina. La regolazione a breve termine dell’attività dell’enzima è in parte realizzata dalla fosforilazione indotta dalle protein chinasi. Non ci sono inibitori molto specifici e potenti dell’enzima e va notato che il blocco farmacologico di questa fase (ad esempio con la naftilvinilpiridina) nel ciclo vitale dell’acetilcolina produce un effetto meno profondo sul trasmettitore rispetto all’inibizione del trasporto della colina.
Un trasportatore specifico di acetilcolina a bassa affinità è responsabile dell’assorbimento del trasmettitore dal citoplasma nelle vescicole. I geni per l’acetiltransferasi della colina e il trasportatore vescicolare dell’acetilcolina sono organizzati in un unico locus genico e la trascrizione dei due geni è tipicamente co-regolata. (±)-Vesamicol è un inibitore selettivo di questo trasportatore, con L-(-)-vesamicol più potente di D-(+)-vesamicol. Una volta confezionata nelle vescicole, l’acetilcolina è soggetta al rilascio indotto dallo stimolo tramite esocitosi. Diverse tossine potenti hanno un impatto sul rilascio di acetilcolina, in particolare la tossina botulinica che inibisce il suo rilascio.
L’acetilcolinesterasi neuronale inattiva molto rapidamente la maggior parte dell’acetilcolina rilasciata nel cervello, anche se la butirrilcolinesterasi contenuta nelle cellule gliali può idrolizzare una piccola parte di acetilcolina nella sinapsi. In periferia, l’acetilcolinesterasi è presente nel muscolo che riceve innervazione colinergica, mentre la butirralcolinesterasi è più ampiamente distribuita. Un certo numero di inibitori reversibili (per esempio fisostigmina, BW284C51) e irreversibili (per esempio iso-OMPA) dell’acetilcolinesterasi sono noti, e questi farmaci hanno l’effetto di prolungare gli effetti sinaptici dell’acetilcolina. Gli anticolinesterasici reversibili di seconda generazione come il donepezil, la rivastigmina (ENA 713), l’eptastigmina e la galantamina (galanthamine) sono impiegati come trattamenti per la malattia di Alzheimer. Alcune colinesterasi di seconda generazione sono state ritirate dall’uso clinico a causa di effetti collaterali inaccettabili (per esempio, tacrina, metrifonate). Gli inibitori irreversibili dell’acetilcolinesterasi sono usati come insetticidi e agenti di guerra chimica. La colina, che viene liberata dall’acetilcolina dall’acetilcolinesterasi, viene ripresa nei terminali colinergici da un trasportatore ad alta affinità e riutilizzata nella sintesi del trasmettitore. L’emicolinio-3 inibisce potentemente e reversibilmente il trasporto della colina, e questo si traduce in una profonda diminuzione della formazione di acetilcolina. A differenza dell’emicolinio-3, A-4 (un analogo bis 4-metilpiperidina di HC-3), è attivo dopo la somministrazione periferica. Gli analoghi della mostarda azotata della colina sono potenti inibitori irreversibili dell’assorbimento della colina ad alta affinità.