Le terminazioni dei neuroni colinergici contengono un gran numero di vescicole piccole legate alla membrana e concentrate vicino alla porzione sinaptica della membrana cellulare
Le vescicole grandi, a centro denso, localizzate più lontano dalla membrana sinaptica. Le vescicole grandi contengono cotrasmettitori di natura peptidica in elevata concentrazione, mentre le vescicole chiare più piccole contengono la maggior parte dell'acetilcolina. Le vescicole sono inizialmente sintetizzate nel corpo neurale e sono trasportate nelle terminazioni. Esse possono anche essere riciclate diverse volte all'interno della terminazione.
L'acetilcolina è sintetizzata nel citoplasma dalla colina e dall'acetil-CoA, mediante l'azione catalitica dell'enzima colina acetiltransferasi (ChAT). L'acetilcolina è sintetizzata nei mitocondri, che sono presenti in gran numero nelle terminazioni nervose. La colina viene trasportata nel liquido extracellulare all'interno delle terminazioni nervose con un meccanismo di trasporto di membrana sodio-dipendente.
Questo trasporto può essere bloccato da un gruppo do farmaci detti emicolini. Una volta sintetizzata, l'acetilcolina viene trasportata dal citoplasma nelle vescicole da un antiporter che rimuove i protoni. Questo trasportatore può essere bloccato dal vesamicolo. La sentesi dell'acetilcolina è un processo rapido in grado di consentire un'elevata frequenza di liberazione del neurotrasmettitore.
