Os mensageiros químicos ligam-se aos receptores metabotrópicos para iniciar uma diversidade de efeitos causados pelas cascatas de sinalização bioquímica. Os receptores acoplados à proteína G são todos receptores metabotrópicos. Quando um ligante se liga a um receptor acoplado à proteína G, uma proteína de ligação ao nucleotídeo guanina, ou proteína G, ativa uma segunda cascata mensageira que pode alterar a transcrição do gene, regular outras proteínas na célula, liberar Ca2+ intracelular ou afetar diretamente os canais de íons na membrana. Estes receptores podem permanecer abertos de segundos a minutos e estão associados a efeitos duradouros, tais como modificação da força sináptica e modulação da plasticidade sináptica de curto e longo prazo.
Receptores metabótropicos têm uma diversidade de ligandos, incluindo mas não limitados a: transmissores de pequenas moléculas, monoaminas, peptídeos, hormônios, e até mesmo gases. Em comparação com os neurotransmissores de ação rápida, estes ligandos não são retomados ou degradados rapidamente. Eles também podem entrar no sistema circulatório para globalizar um sinal. A maioria dos ligandos metabótropicos tem receptores únicos. Alguns exemplos incluem: receptores de glutamato metabotrópicos, receptores de acetilcolina muscarínicos, receptores GABAB.