Los mensajeros químicos se unen a los receptores metabotrópicos para iniciar una diversidad de efectos causados por cascadas de señalización bioquímica. Los receptores acoplados a proteínas G son todos receptores metabotrópicos. Cuando un ligando se une a un receptor acoplado a proteínas G, una proteína de unión a nucleótidos de guanina, o proteína G, activa una cascada de segundos mensajeros que puede alterar la transcripción de genes, regular otras proteínas en la célula, liberar Ca2+ intracelular o afectar directamente a los canales iónicos de la membrana. Estos receptores pueden permanecer abiertos de segundos a minutos y están asociados a efectos de larga duración, como la modificación de la fuerza sináptica y la modulación de la plasticidad sináptica a corto y largo plazo.
Los receptores metabotrópicos tienen una diversidad de ligandos, que incluyen, entre otros, los siguientes: transmisores de moléculas pequeñas, monoaminas, péptidos, hormonas e incluso gases. En comparación con los neurotransmisores de acción rápida, estos ligandos no se reabsorben ni se degradan rápidamente. También pueden entrar en el sistema circulatorio para globalizar una señal. La mayoría de los ligandos metabotrópicos tienen receptores únicos. Algunos ejemplos son: los receptores metabotrópicos de glutamato, los receptores muscarínicos de acetilcolina y los receptores GABAB.