Az acetilkolin egy kémiai hírvivő, amely jeleket szállít az idegrendszer szinapszisain keresztül. Ez volt az elsőként azonosított neurotranszmitter, és máig az egyik legsokoldalúbb.

A neuromuszkuláris csomópontnál izom-összehúzódást vált ki. Az agyban támogatja a figyelmet, a tanulást és az emlékezetet; az acetilkolint termelő neuronok fokozatos elvesztése az Alzheimer-kór egyik jellemzője. Az autonóm idegrendszerben lelassítja a szívet és serkenti az emésztést. A különböző receptortípusok – nikotin- és muszkarin- – lehetővé teszik, hogy ugyanaz a molekula különböző hatásokat váltson ki a szövettől függően.

Az acetilkolinszintet növelő gyógyszerek, mint például az Alzheimer-kór korai kezelésében alkalmazottak, mérsékelten javíthatják a kognitív tüneteket. Az ezt gátló gyógyszerek, beleértve néhány antihisztamint és antidepresszánst, szájszárazságot, homályos látást és memória-ködöt okozhatnak. A Clostridium botulinum által termelt toxin megakadályozza az acetilkolin felszabadulását, és ezáltal megbénítja az izmokat; kontrollált dózisokban orvosi és kozmetikai célokra használják.

Az acetilkolin jól szemlélteti, hogyan képes egyetlen vegyi anyag mind a legegyszerűbb motoros cselekvést, mind a legösszetettebb mentális műveleteket ellátni.