I messaggeri chimici si legano ai recettori metabotropi per avviare una diversità di effetti causati da cascate di segnalazione biochimica. I recettori accoppiati alle proteine G sono tutti recettori metabotropi. Quando un ligando si lega a un recettore accoppiato alla proteina G, una proteina legante il nucleotide di guanina, o proteina G, attiva una seconda cascata di messaggeri che può alterare la trascrizione genica, regolare altre proteine nella cellula, rilasciare Ca2+ intracellulare, o influenzare direttamente i canali ionici sulla membrana. Questi recettori possono rimanere aperti da secondi a minuti e sono associati a effetti di lunga durata, come la modifica della forza sinaptica e la modulazione della plasticità sinaptica a breve e lungo termine.
I recettori metabotropici hanno una diversità di ligandi, tra cui, ma non solo: trasmettitori di piccole molecole, monoammine, peptidi, ormoni e persino gas. Rispetto ai neurotrasmettitori ad azione rapida, questi ligandi non vengono ripresi o degradati rapidamente. Possono anche entrare nel sistema circolatorio per globalizzare un segnale. La maggior parte dei ligandi metabotropi hanno recettori unici. Alcuni esempi sono: recettori metabotropi del glutammato, recettori muscarinici dell’acetilcolina, recettori GABAB.