某些神經遞質屬于蛋白質。乙酰膽堿是由膽堿和乙酰輔酶A在膽堿乙酰移位酶或膽堿乙酰化酶的催化作用下合成的。由于該酶存在于細胞質基質中,因此乙酰膽堿在細胞質基質中合成,合成後由小泡攝取并貯存起來。去甲腎上腺素的合成以酪氨酸為原料,首先在酪氨酸羟化酶的催化作用下合成多巴,再在多巴脫羧酶或者是氨基酸脫竣酶作用下合成多巴胺或者是兒茶酚乙胺,這二步是在細胞質基質中進行的;然後多巴胺被攝取入小泡,在小泡中由多巴胺β羟化酶催化進一步合成去甲腎上腺素,并貯存于小泡内。
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