膽堿酯酶是一種水解ACH(乙酰膽堿)的特殊酶。一般來說，體內的膽堿酯酶分兩種：1.真性膽堿酯酶又叫乙酰膽堿酯酶或特異性膽堿酯酶，主要存在于膽堿能神經突觸后膜上，也存在于紅細胞和肌細胞中。此種膽堿酯酶水解ACH比水解其他膽堿酯類更快。一般指的膽堿酯酶即是指真性膽堿酯酶。2.假性膽堿酯酶又叫丁酰膽堿酯酶，主要存在于各型膠質細胞，血漿及肝臟中，水解苯甲酰膽堿及丁酰膽堿等。在這兩種膽堿酯酶中，真性膽堿酯酶對ACH有選擇性破壞作用，因此具有重大的生理意義。 膽堿酯酶是一種分子量為8萬的酶蛋白，分子表面有兩個能與乙酰膽堿結合的部位，即帶負電荷的陰離子部位與酯解部位。現在認為陰離子部位可能由二羧氨基酸構成，酯解部位則含有一個由絲氨酸羥基構成的酸性作用點和一個由組氨酸的咪唑環構成的堿性作用點，后者通過氫的轉移增強了前者的親核活性，使其易與ACH結合。
ACH為季銨化合物，由季銨基團、烴鍵和酯基三部分組成。膽堿酯酶水解ACH的過程可分為三部分進行。(1)酶的陰離子部位以靜電引力與ACH分子中帶正電的季銨陽離子結合，酯解部位則以共價鍵與ACH酯基相結合，形成乙酰膽堿-膽堿酯酶復合物。(2)ACH的酯鏈裂開，釋放出膽堿，生成乙酰化膽堿酯酶。(3)乙酰化膽堿酯酶經水解迅速分解出乙酸，膽堿酯酶游離，恢復原有的活性。
一分子ACH完全水解，僅需80微秒，故神經興奮時，末梢釋放的 ACH。與N膽堿受體結合引起效應后立即被膽堿酯酶水解，ACH一旦水解，效應便立即終止。 膽堿酯酶過低會造成膽堿堆積，產生持續興奮膽堿能神經的作用，主要表現為：
1．M樣作用靜脈注射小劑量Ach即能激動M膽堿受體，產生與興奮膽堿能神經節后纖維相似的作用，引起心率減慢、血管舒張、血壓下降，支氣管和胃腸道平滑肌興奮，瞳孔括約肌和睫狀肌收縮以及腺體分泌增加等。舒張血管可能是激動血管內皮細胞的M受體使內皮細胞釋放依賴性舒張因子（endothelium- dependent relaxing factor,EDRF,現多認為EDRF即是一氧化氮（NO））所致。
2．N樣作用劑量稍大時，Ach也能激動N膽堿受體，產生與興奮全部植物神經節和運動神經相似的作用。還能興奮腎上腺髓質的嗜鉻組織（此組織在胚胎發育中與交感神經節的來源相同，受交感神經節前纖維支配），使之釋放腎上腺素。許多器官是由膽堿能和去甲腎上腺素能神經雙重支配的，通常是其中一種占優勢。例如，在胃腸道、膀胱平滑肌和腺體是以膽堿能神經占優勢，而心肌收縮和小血管方面則以去甲腎上腺素能神經占優勢。故在大劑量Ach作用下，全部神經節（具N1膽堿受體）興奮的結果是胃腸道、膀胱等器官的平滑肌興奮，腺體分泌增加，心肌收縮力加強，小血管收縮，血壓升高。Ach還激動運動神經終板上的N2膽堿受體，表現為骨骼肌興奮。過大劑量的Ach很易使神經節從興奮轉入抑制。