Die Acetylcholinesterase wird unter anderem durch Organophosphorsäureester durch Phosphorylierung des Serins gehemmt. Das Enzym wird unwirksam, kann also das ACh nicht mehr hydrolysieren, und ACh wird im synaptischen Spalt in höherer Konzentration angereichert. Die Erhöhung des Parasympathikotonus führt zur motorischen und sensitiven Überstimulation innerer Organe, insbesondere zu Krämpfen des Magen-Darm-Traktes, und kann Tod durch Atemlähmung zur Folge haben. Analog wirken verschiedene als Insektizide eingesetzte Carbamate, die ihre Carbamatgruppe auf das Serin übertragen und das Enzym so deaktivieren. Weitere AChE-Hemmstoffe sind z. B. Diisopropylfluorphosphat (DIFP), 4-Chlormercuribenzoesäure und Huperzin A.