Cemiske budbringere binder sig til metabotropiske receptorer for at udløse en række forskellige virkninger forårsaget af biokemiske signalkaskader. G-protein-koblede receptorer er alle metabotropiske receptorer. Når en ligand binder til en G-protein-koblet receptor, aktiverer et guaninnukleotidbindende protein eller G-protein en second messenger-kaskade, som kan ændre gentranskriptionen, regulere andre proteiner i cellen, frigive intracellulær Ca2+ eller direkte påvirke ionkanaler på membranen. Disse receptorer kan forblive åbne fra sekunder til minutter og er forbundet med langvarige virkninger, såsom ændring af synaptisk styrke og modulering af synaptisk plasticitet på kort og lang sigt.
Metabotropiske receptorer har en mangfoldighed af ligander, herunder, men ikke begrænset til: små molekylære transmittere, monoaminer, peptider, hormoner og endda gasser. I sammenligning med hurtigtvirkende neurotransmittere optages disse ligander ikke igen eller nedbrydes hurtigt. De kan også komme ind i kredsløbssystemet for at globalisere et signal. De fleste metabotropiske ligander har unikke receptorer. Nogle eksempler omfatter: metabotrope glutamatreceptorer, muscariniske acetylcholinreceptorer, GABABAB-receptorer.