בגישה הקלאסית בהיעדר הורמון, הרצפטור לאסטרוגן נמצא קשור לקומפלקס חלבונים. קומפלקס המכיל בין היתר סוגים שונים של חלבוני עקת חום. כאשר מתרחשת קשירה בין הליגנד לרצפטור, מתרחש שינוי מבני בקולטן, המשחרר אותו מחלבוני עקת החום. לפי מודל זה, לאחר השחרור הרצפטור יוצר דימר עם עוד קולטן. דימר זה נקשר אל רצפי ד.נ.א ספציפיים המכונים EREs ומשפיע על רמת השיעתוק של הגנים המצויים בהמשך ל-EREs. נתיב השפעה נוסף של ה- ER הוא באמצעות קשרים לא ישירים, בעזרת אינטראקציות חלבון חלבון, עם אתרי שעתוק של פקטורים אחרים. מודלים מאוחרים יותר הצביעו על מורכבויות נוספות במנגנון הפעולה. ראשית נמצא כי שני הרצפטורים יכולים ליצור דימרים ביניהם ולכן ניתן לזהות גם הומודימרים: ERβ•ERβ או ERα•ERα וגם הטרודימרים ERα•ERβ. מבנים אשר פועלים באופן שונה, וביעילות שונה על אותם רצפי ד.נ.א. נתיב הפעולה נגרם על ידי שונות בליגנדים הנקשרים אל אזור E ברצפטורים. כמו כן נמצא כי ERs מסוגלים לתקשר באמצעים ביוכימיים, ואף ליצור דימרים, עם חלבוני שעתוק ממשפחות שונות. בנוסף, הרצפטור לאסטרוגן יכול לעבור שינויים מבניים לאחר תרגום המשפיעים על פעילותו. לדוגמה נמצא שהקולטן מסוגל להיות פעיל גם ללא נוכחות אסטרוגן באמצעות אינטראקציה עם פקטורי גידול כמו IGF-I או EGF. אם יימצא אסטרוגן בתא ההשפעה תוגבר עוד יותר. פעילות פקטורי הגידול על הקולטן מתווכת על ידי זירחון באמצעות MAP kinase pathway במתחם A/B בשני סוגי הרצפטורים. אתרי זרחון נוספים התגלו גם באזורים אחרים על הרצפטור כמו באזור קשירת הליגנד או באזור הקשירה של הרצפטור ל-DNA. מורכבות נוספת שנמצאה היא שלא כל מקטעי ה-ד.נ.א אשר מווסתים על ידי ERs מכילים את רצפי ה-DNA הקלאסיים של ההיקשרות (ERE).
ייצור האסטרדיול בגוף.
95% מהאסטרדיול בנשים בגיל הפוריות מיוצרים בתאי גרנולוזה בזקיקי השחלה על ידי ארומטיזציה של אנדרוגנים. ראשיתו של התהליך בביקוע שרשרת צדדית של כולסטרול בבלוטת יותרת הכליה או בתאי התקה (theca) הפנימית בזקיק השחלה ליצירת פרגננולון, אשר בסדרה של תהליכים ביוכימיים הופך לאנדרוגנים אנדרוסטנדיון ולטסטוסטרון. האנדרוגנים מגיעים לתאי הגרנולוזה, שם האנזים ארומטאז הופך אנדרוסטנדיון לאסטרון וטסטוסטרון לאסטרדיול. פעולתו של הארומטאז מבוקרת על ידי הפרשת הורמון מגרה זקיק (FSH), הנקשר בתאי הגרנולוזה לקולטן המצומד לחלבון G, ובכך מפעיל סדרה של תהליכים ביוכימיים שמאפשרים את פעולתו של הארומטאז. אסטרון אף הוא יכול להפוך לאסטרדיול באמצעות האנזים 17β-הידרוקסיסטרואיד דהידרוגנאז. מקורות נוספים לייצור אסטרדיול הם רקמת שומן, בפרט בגיל המעבר, וכן בעור בדופנות העורקים ובמוח. כמו כן, כמויות קטנות יותר של אסטרדיול מיוצרות גם כן על ידי קליפת בלוטת יותרת הכליה, ובגברים באשכים.
מטבוליזם.
בפלזמת הדם אחוז האסטרדיול החופשי הוא קצת מעל 2%, והוא נשאר באופן זה לכל אורך המחזור החודשי. כאשר האסטרדיול נמצא בצורה לא חופשית, הוא קשור לחלבונים נשאים, בעיקר אלבומין וגלובולין קושר הורמוני מין (SHBG), כאשר היחס הוא בקירוב 60% אל מול 38% בהתאמה. כאשר ישנה פעילות יתר של אסטרדיול, תתרחש שרשרת פעולות ביוכימיות, אשר בסופה האסטרדיול יומר להורמון אסטרוגני פחות פעיל כמו אסטרון או אסטריול, כאשר אסטריול הוא ההורמון האסטרוגני הנפוץ ביותר בשתן. דרך נוספת היא התמרה כימית בכבד באמצעות חיבור עם מולקולות אחרות, שהופכות את האסטרדיול ללא פעיל, כגון חיבור עם סולפט ליצירת מולקולת אסטרדיול-סולפט או עם חומצה גלוקורונית ליצירת אסטרדיול גלוקורוניד. מולקולות אלו יופרשו מהכליות. אחדות מהמולקולות הנוצרות מקשרים עם אסטרדיול הן מסיסות במים. מולקולות אלו לרוב יופרשו דרך צינור המרה, וחלקם ייספגו מחדש לאחר שיעברו פירוק באמצעות הידרוליזה במעי. לעיתים יתבצע קישור של אסטרדיול עם מולקולת אסטר, אשר תוצר התגובה שלו יהיה אסטרדיול שומני, אשר יאוחסן ברקמת שומן לשימוש ארוך טווח.
תפקידים ביולוגיים.
התפתחות מינית.
לאסטרדיול תפקיד חשוב ביצירת ההבדלים המשניים בין גברים לנשים. שינויים מבניים בין גברים לנשים מתחילים להופיע בתקופת ההתבגרות המינית, בה צמיחת השד אצל נשים מוגברת, ופיזור השומן בגוף משתנה, שינויים אלה נשארים קבועים יחסית לכל אורך תקופת הפוריות. כאשר נשים מגיעות לגיל המעבר הבדלים אלו מתחילים להצטמצם, וזאת כתוצאה מירידה משמעותית ברמת האסטרדיול בגוף האישה. אצל גברים, לעומת זאת, עם השנים דווקא עולה רמת האסטרוגן בגוף, מה שגורם בגילאי הזקנה לגדילה ברקמת השד ובבלוטת הערמונית. אסטרדיול גם גורם להתפתחות איברי המין הנשיים לכדי בשלות והוא אף אחראי באופן עקיף על קצב הגדילה המואץ בגיל ההתבגרות, זאת באמצעות הגברת הפרשת הורמוני הגדילה . בנוסף לכך האסטרדיול אחראי על עצירתה של הגדילה.
המחזור החודשי וההיריון.
רמות האסטרדיול בדם אצל נשים בתקופת הפוריות משתנה בין שלבי המחזור השונים. למחזור חודשי תקין ארבעה שלבים עיקריים: השלב הווסתי בו מתרחש דימום מהנרתיק, השלב הפוליקולרי בו מתפתח הזקיק, שלב הביוץ והשלב הלוטאלי, בו מתפתח הגופיף הצהוב. במהלך מחזור חודשי תקין, רמות אסטרדיול הנמדדות בעת הווסת נמוכות מ-50 פיקוגרם למיליליטר, ולאחריו הן עולות עם התפתחות הזקיק השחלתי עד לאזור 400 פיקרוגרם למיליליטר עד לביוץ, ולאחריו הן יורדות. בשלב הלוטאלי, החל מיום 17 למחזור, מתחילה שוב עלייה ברמת האסטרדיול אשר מגיעה ביום ה-20 למחזור לרמה של 160 פיקוגרם למיליליטר, אשר נשמרת יחסית קבועה עד היום ה-24 למחזור. לאחר היום ה-24 חלה שוב ירידה ברמות האסטרדיול אשר מגיע למינימום בימי הווסת.
במהלך ההיריון, לקראת מועד הלידה, חלה עלייה של כלל האסטרוגנים וביניהם האסטרדיול. בניגוד לאסטרוגנים הנמצאים בגוף האישה שלא בהיריון, אשר מקורם בעיקר בשחלות, מקור האסטרוגנים אצל אישה בהיריון הוא הרקמה השלייתית. לתנודות ברמות האסטרוגנים בתקופת ההיריון מייחסים כמה תפקידים, ביניהם סיוע להולכת הדם ברחם המתפתח, להגדלת השדיים לקראת הלידה, להגברת האלסטיות של צוואר הרחם, וכן לסיוע בתהליך כיווץ הרחם בשעת הלידה המתווך באמצעות ההורמון אוקסיטוצין.
הכבד.
אסטרדיול מעורב בתהליך ייצור הליפופרוטאינים בכבד. מלבדם האסטרדיול מעורב גם בייצור גורמי קרישה ושאר חלבונים הקשורים למערכת הדם. כאשר רמות האסטרדיול בכבד גבוהות מן הרגיל, הדבר יכול להוביל לעימדון מרה (כולסטאזיס), מחלה שבה נוצרת חסימה של זרימת המרה בתוך הכבד, כיוון שהמטבוליט הגלוקורוניד של אסטרדיול מפחית את כמות מלחי המרה הנספגים על ידי תאי הכבד. תופעה זו נפוצה במיוחד במהלך היריון, כיוון שבמהלך ההיריון רמות ההורמונים האסטרוגניים, ובכללם האסטרדיול, עולות בצורה חדה.
מערכת השלד.
לאסטרדיול תפקיד חשוב בוויסות גדילת העצם, הסחוסים והמפרקים. האסטרדיול מעורב בתהליך סגירת סחוס הגדילה, וכאשר ישנו חוסר באסטרדיול ושאר הורמונים אסטרוגניים, עלול התהליך להתעכב ואף לא להתרחש כלל. אדם הלוקה בחוסר שכזה עלול לסבול מבקרת גדילה לקויה, העשויה לבוא לידי ביטוי בגביהה מתמשכת, באורך גפיים חריג, ובפרופורציות אנורמליות בין פלג הגוף העליון והתחתון. כמו כן, לאסטרדיול השפעה על צפיפות העצם, ולכן הוא מעורב בדלדול עצם. בהתאמה לכך ניתן לראות אצל נשים שינויים בצפיפות העצם בהתאם לשינויים ברמות ההורמונים האסטרוגניים בשלבי המחזור השונים.
רקמת העור.
על רקמת העור נמצאים קולטנים להורמוני מין כמו אסטרדיול ופרוגסטרון. ממחקרים עולה כי הורמונים אלו מעורבים בתהליכים המקנים לרקמת העור אלסטיות וחוזק. ממחקרים שהשוו בין גיל המעבר לתקופת הפוריות תוך מתן אסטרדיול לשתי הקבוצות נמצא כי הירידה בהורמוני המין גורמת להאצה בתהליכים הגורמים לדלדול העור, ביצירת קמטים ובחוסר גמישות העור. כמו כן, נצפו שינויים מבניים בתאי העור הכוללים הבדלים ברמה הביוכימית של מרכיבי התאים ושל זרימת הדם לתאי העור. כיום ישנם טיפולים המנסים לעכב את התוצאות הללו באמצעות מתן הורמונים סינתטיים אשר נמצאו מועילים בחלק מהמקרים לצמצום התופעה.
תפקידים פסיכוביולוגיים.
מחקרים על חיות מעבדה הראו כי ישנם קולטנים לאסטרדיול באמיגדלה, בהיפוקמפוס, בהיפותלמוס ובקליפת המוח. בנוסף לכך ישנן עדויות רבות שלאסטרדיול יש השפעה על מערכות דופמינרגיות ועל מערכות סרוטונרגיות. מערכות אלה מעורבות במערכת הגמול ובבסיס הביולוגי של ויסות מצבי רוח, ואכן במחקרים רבים נמצא כי להורמוני המין אסטרדיול ופרוגסטרון תפקיד בתהליכי למידה חברתיים כמו למידה מהאחר, בהערכה חברתית, במצבי חרדה ובדפוסים של התנהגות תוקפנית. כמו כן, אסטרוגן מגביר את פעילות ההורמון אוקסיטוצין המעורב ביצירת קשרים חברתיים.
מערכות למידת פחד ודיכאון.