乙酰胆碱对血管的作用主要是舒张作用，小剂量注射乙酰胆碱时可以引起全身血管的扩张而造成血压的下降，同时会伴有反射性的心率加快。乙酰胆碱可以引起许多血管的扩张，包括肺血管和冠状血管，其扩张血管的作用主要是由于激动的血管内皮的M胆碱受体亚型，导致内皮依赖性舒张因子，也就是一氧化氮的释放，从而引起了邻近平滑肌细胞的松弛，也可能是通过压力感受器或者化学感受器的反射引起。但如果存在血管内皮受损的情况，则乙酰胆碱的上述作用将不存在，相反反而会引起血管收缩。
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