Acetylocholina nie ma obecnie zastosowania w lecznictwie, ponieważ bardzo szybko ulega hydrolizie (katalizowanej przez acetylocholinoesterazę) do choliny i kwasu octowego[2][3][4].
Cholina ulega estryfikacji, to znaczy przyłączeniu grupy acetylowej (reszty kwasu octowego) do grupy hydroksylowej choliny przy udziale acetylotransferazy cholinowej. Część powstałej acetylocholiny jest uwalniana z zakończeń presynaptycznych do przestrzeni synaptycznej przez dopływające impulsy nerwowe, a część magazynowana w ziarnistościach neuronów. Po wydzieleniu z zakończeń presynaptycznych acetylocholina działa na receptory znajdujące się w zakończeniach postsynaptycznych i jest bardzo szybko rozkładana przez acetylocholinoesterazę. Jest to jedyny mechanizm unieczynniania acetylocholiny. Szybkość syntezy acetylocholiny zależy od stężenia choliny oraz acetylocholiny w neuronie. Związki fosforoorganiczne (sarin, soman) są inhibitorami acetylocholinoesterazy, co warunkuje ich toksyczność[potrzebny przypis].