Des messagers chimiques se lient aux récepteurs métabotropes pour initier une diversité d’effets causés par des cascades de signalisation biochimique. Les récepteurs couplés aux protéines G sont tous des récepteurs métabotropes. Lorsqu’un ligand se lie à un récepteur couplé à la protéine G, une protéine de liaison au nucléotide guanine, ou protéine G, active une cascade de seconds messagers qui peut modifier la transcription des gènes, réguler d’autres protéines dans la cellule, libérer du Ca2+ intracellulaire ou affecter directement les canaux ioniques de la membrane. Ces récepteurs peuvent rester ouverts de quelques secondes à quelques minutes et sont associés à des effets durables, comme la modification de la force synaptique et la modulation de la plasticité synaptique à court et à long terme.
Les récepteurs métabotropes ont une diversité de ligands, y compris, mais sans s’y limiter : transmetteurs à petites molécules, monoamines, peptides, hormones et même gaz. Par rapport aux neurotransmetteurs à action rapide, ces ligands ne sont pas repris ou dégradés rapidement. Ils peuvent également entrer dans le système circulatoire pour globaliser un signal. La plupart des ligands métabotropiques ont des récepteurs uniques. Quelques exemples : les récepteurs métabotropiques du glutamate, les récepteurs muscariniques de l’acétylcholine, les récepteurs GABAB.