Chemische Botenstoffe binden an metabotrope Rezeptoren, um eine Vielzahl von Wirkungen auszulösen, die durch biochemische Signalkaskaden verursacht werden. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren sind allesamt metabotrope Rezeptoren. Wenn ein Ligand an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor bindet, aktiviert ein Guanin-Nukleotid-bindendes Protein oder G-Protein eine Second-Messenger-Kaskade, die die Gentranskription verändern, andere Proteine in der Zelle regulieren, intrazelluläres Ca2+ freisetzen oder Ionenkanäle auf der Membran direkt beeinflussen kann. Diese Rezeptoren können von Sekunden bis Minuten geöffnet bleiben und werden mit lang anhaltenden Wirkungen in Verbindung gebracht, wie z.B. der Veränderung der synaptischen Stärke und der Modulation der kurz- und langfristigen synaptischen Plastizität.
Metabotrope Rezeptoren haben eine Vielzahl von Liganden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf: niedermolekulare Transmitter, Monoamine, Peptide, Hormone und sogar Gase. Im Vergleich zu schnell wirkenden Neurotransmittern werden diese Liganden nicht schnell wieder aufgenommen oder abgebaut. Sie können auch in den Blutkreislauf gelangen, um ein Signal zu globalisieren. Die meisten metabotropen Liganden haben einzigartige Rezeptoren. Einige Beispiele sind: metabotrope Glutamatrezeptoren, muskarinische Acetylcholinrezeptoren, GABAB-Rezeptoren.