O processo de fusão das vesículas de neurotransmissor com a membrana do neurônio pré-sináptico é chamado de exocitose. Esse processo é desencadeado pela entrada de íons Ca2+ no terminal pré-sináptico, que ocorre quando um potencial de ação chega ao terminal. O Ca2+ se liga a proteínas específicas, chamadas sinapsinas, que estão associadas às vesículas de neurotransmissor. A ligação do Ca2+ às sinapsinas causa uma mudança conformacional que libera as vesículas de neurotransmissor para se fundirem com a membrana pré-sináptica. As proteínas motoras envolvidas no processo de exocitose incluem a miosina e a cinesina. A miosina é responsável pelo transporte das vesículas de neurotransmissor ao longo dos filamentos de actina no terminal pré-sináptico. Já a cinesina é responsável pelo transporte das vesículas de neurotransmissor ao longo dos microtúbulos.
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