organisk forbindelse (acetyl-ester av kolin) som forekommer i små mengder i organismen, i første rekke ved endeforgreningene av bestemte nerveceller (kolinerge nevroner) både i det perifere og sentrale nervesystem. Acetylkolin er i disse celler nødvendig for overføringen av nerveimpulsene til skjelettmuskulatur og til glatt muskulatur og kjertler i det autonome nervesystem, samt mellom enkelte nerveceller. Oppdagelsen av dette kjemiske mellomledd, transmitter-substans, for overføring av impulsene har vært av fundamental betydning for forståelsen av en rekke organfunksjoner under normale og sykelige forhold. Nobelprisen i medisin ble i 1936 utdelt til briten Sir Henry Dale og østerrikeren Otto Loewi for oppdagelsen av dette prinsipp.
Som legemiddel er acetylkolin lite brukbart, fordi det meget hurtig brytes ned i organismen. Andre og mer stabile kolin-forbindelser blir brukt mot enkelte sykdommer i tarmer, urinblære og blodkar. Andre transmitter-substanser er noradrenalin, serotonin, glysin, dopamin, gamma-amino-smørsyre, o.a. (se også synapser).