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Kommt ein Aktionspotential am synaptischen Endkolben eines Axons an, öffnen sich spannungsabhängige Kalziumionenkanäle. Durch den Kalziumioneneinstrom findet dann in weniger als 1 Millisekunde an der präsynaptischen Zellmembran die Exozytose acyethylcholinhaltiger Neurotransmittervesikel statt. Dabei verschmelzen kleine Anteile der Transmittervesikelmembran mit der präsynaptischen Membran und Acytylcholin diffundiert in den darunterliegenden, 20 bis 50 nm weiten, synaptischen Spalt, während gespaltener Neurotransmitter (Acetyl und Cholin) aufgenommen wird, bevor sich die Bläschenmembran wieder schließt und ins Innere des Endkolbens zurückwandert. Das freigesetzte Acethylcholin bindet an die Acethylcholinrezeptoren (ca. 10.000 pro 1 µm²) der elektronendichteren postsynaptischen Zellmembran (Sarkolemm). Dies führt zur Öffnung der Ionenkanäle der Acethylcholinrezeptoren, die durch die Zellmembran reichende Tunnelproteine sind. Dadurch kommt es zu einem extrem schnellen Natriumeinstrom und Kaliumausstrom, wobei der Natriumioneneinwärtsstrom überwiegt, was zu einer Erregung der Muskelzelle führt. Diese Depolarisation des Sarkolemms wird in die T-Tubuli fortgeleitet und es öffnen sich dadurch spannungsabhängige Kalziumionenkanäle in den T-Tubuli und intrazelluläre Ryanodin-Rezeptoren werden aktiviert. Kalziumionen werden schliesslich aus dem sarkoplasmatischen Retikulum der Muskelzellen ausgeschüttet. Der resultierende starke Anstieg der intrazellulären Calcium-Konzentration bewirkt die Kontraktion der Muskelzelle. Kalzium-Ionen üben somit eine Schlüsselrolle bei der elektromechanischen Kopplung , der Verbindung von elektrischer Erregung an der Membran bis zur Kontraktion aus.
Acetylcholin wird nur für 0,5 Millisekunden an seine Rezeptoren in der subsynaptischen Membran gebunden, danach wird es durch das ebenfalls an der Basalmembran verankerte Enzym Acetylcholinesterase in Acetyl und Cholin gespalten. Die Spaltprodukte diffundieren in den synaptischen Spaltraum und werden, wie oben beschrieben, wieder in den synaptischen Endkolben aufgenommen.