М-ХР относятся к группе G-протеин-связанным рецепторов, т. е. рецепторов, передающих внутриклеточный сигнал посредством взаимодействия с гуанидин-нуклеотидсвязанными белками (G-протеинами). Как и другие подобные рецепторы, м-ХР представляют собой тетрамерную белковую структуру, имеющую спиральную конформацию. М-ХР обладает высокой аффинностью к АХ, который связывается с рецепторным белком, образуя множественные ион-ионные и водородные связи с рядом его образующих аминокислотных фрагментов. Связывание мускариновых агонистов с м-ХР сопровождается пусковыми конформационными изменениями фрагментов спиральной белковой структуры, которые затем передаются на цитоплазматические участки, где происходит взаимодействие со специфическими G-белками. По современным представлениям, связывание лиганда с м-ХР происходит в «кармане», образованном в области кругообразно расположенных 7 трансмембранных спиралей за счет ион-ионных взаимодействий между положительно заряженной катионной головкой аминогруппы, присутствующей практически во всех холинергических соединениях, и остатком аспарагиновой кислоты (Asp 147) — аминокислоты, входящей в структуру рецепторного белка. Кроме того, присутствующие в структуре гидрофобного ядра м-ХР аминокислоты серин, триптофан и тирозин (не обнаруженные в других — нехолинергических — рецепторах) за счет гидроксильных групп боковых цепей обеспечивают высокоаффинное взаимодействие по типу водородной связи с эфирной группировкой молекулы АХ. Что касается взаимодействия м-ХР с антагонистами, то его особенности до настоящего времени остаются не достаточно ясными. В частности, остается неясным, как различные подтипы м-ХР узнают объемные гидрофобные концевые фрагменты или подходящие боковые цепи, содержащиеся в химической структуре практически всех активных мускариновых антагонистов. Исследования с использованием селективных антагонистов разных подтипов мускариновых рецепторов (например, антагониста M1-рецепторов — пирензепина или антагонистов М2-рецепторов — галламина и AF-DX 116, М3-рецепторов — 4-дифенилацетокси-М-метилпиперидина йодметилата [4-DAMP], M4 -холинорецепторов — химбацина и AQRA 741) показали, что лиганд, как правило, взаимодействует как с общим для разных подтипов рецепторов участком, так и с другим, специфичным для каждого подвида м-ХР его фрагментом.
