乙酰胆碱是一种有机碱，与蛋白质、脂质或糖类不同。它是卵磷脂的组成部分，而卵磷脂的化学本质是磷脂酰胆碱。在人体内，乙酰胆碱是由胆碱经过乙酰辅酶A的乙酰化后产生的。在神经细胞中，乙酰胆碱是由胆碱和乙酰辅酶A在胆碱乙酰移位酶的催化作用下合成的。乙酰胆碱在合成后由小泡摄取并贮存起来。当乙酰胆碱进入突触间隙后，它会作用于突触后膜发挥生理作用。然后，乙酰胆碱被胆碱酯酶水解成胆碱和乙酸，以避免受体细胞膜持续去极化而造成的传导阻滞。乙酰胆碱的量子性释放是由神经末梢去极化引起的Ca2+内流所引起的。当神经冲动传至神经终板时，膜电位下降，导致电压闸门通道开放，使Ca2+进入终板，从而刺激终板分泌乙酰胆碱。乙酰胆碱进一步作用于肌细胞导致肌细胞收缩。乙酰胆碱是一种神经递质，符合神经递质的合成、贮存、释放和失活的标准。
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