La neurotransmisión química es el tipo de transmisión sináptica en que una célula se comunica con otra a través de un neurotransmisor. Es un proceso muy complejo en el cual se pueden definir diferentes etapas. Uno de los modelos más adecuados para su estudio ha resultado ser la sinapsis neuromuscular esquelética.

Anatómicamente, este modelo sináptico está formado por el extremo terminal del axón mielínico de una motoneurona alfa, ubicada en la médula espinal, y por el segmento de la membrana de la célula muscular esquelética (fibra muscular) inervado por ese terminal. El terminal axónico representa la parte pre-sináptica y la fibra muscular la parte post-sináptica. Ambas partes están separadas por un espacio sináptico.

El extremo del terminal axónico se divide en varias ramas cada una de las cuales termina en un ensanchamiento, el botón terminal, donde se encuentran las vesículas sinápticas conteniendo el neurotransmisor, la acetil-colina. Esas vesículas se van a ubicar en la zona activa del botón terminal para poder liberar el neurotransmisor.

Frenta a cada botón terminal se ubica, al otro lado del espacio sináptico, una compleja organización de la membrana plasmática de la fibra muscular, la placa motora. Ella consiste en una serie de hendiduras donde se ubican los receptores químicos post-sinápticos sobre los cuales actúa el neurotransmisor.

Toda la parte post-sináptica (la membrana de la fibra muscular, incluyendo las placas) está cubierta por una membrana o lámina basal que mira al espacio sináptico. Esta membrana esta formada por una mezcla de colágeno y de glicoproteínas.

En la región de la placa se insertan en la lámina basal una variedad de proteínas que son liberadas desde el terminal nervioso y de la fibra muscular. Una de esas proteína es una enzima de gran importancia funcional, la acetilcolinesterasa, una de cuyas funciones es destruir a la acetil-colina liberada, provocando así el término de la acción del neurotransmisor.

Cuando llega el potencial de acción al terminal nervioso este se hipopolariza, lo cual provoca un claro incremento de la salida del neurotrasmisor. La acetil-colina atraviesa el espacio sináptico por difusión hasta alcanzar los receptores ubicados en la placa motora. Estos receptores son canales iónicos (receptores ionotrópicos) que permiten el paso de ión sodio pero que sólo se abren cuando se combina con ellos el neurotransmisor.

La entrada de sodio a través de los muchos receptores-canales con los que combina la acetil-colina provoca una disminución del potencial de membrana en esa zona, una hipopolarización, llamada potencial excitatorio post-sináptico (PEPS). Este es un potencial graduado porque su magnitud depende de la cantidad de neurotransmisor liberado. Cuando la magnitud de esta respuesta eléctrica es alta, el PEPS actúa como un estímulo eléctrico sobre la membrana vecina a la placa motora, la cual reponde generando un potencial de acción, ahora de la fibra muscular.