El neurotransmisor (NT) es la señal química que libera una neurona para comunicarse con otras células. Como él se encuentra almacenado, en altas concentraciones, en vesículas sinápticas, el proceso de su liberación involucra la activa participación de estos organelos. La liberación del NT ocurre desde el axón neuronal y sólo en neuronas dopaminérgicas, ubicadas en la substancia nigra, se descrito liberación del NT desde la dendritas y en células sensoriales de algunos órganos receptores (conos de la retina), que no presentan axón, se describe también liberación de NT desde una región denominada sináptica.

Hay dos lugares en el axón desde los cuales se puede liberar el NT: desde la varicosidades o desde el terminal nervioso. Las varicosidades son ensanchamientos esféricos que se observan en los axones de algunas neuronas. Tanto en los terminales nerviosos como en las varicosidades se encuentran vesículas con alto contenido de NT. Desde esas ubicaciones el NT se libera constantemente en bajas cantidades (liberación basal) que no representan una señal de comunicación. Cuando el potencial de acción invade el terminal nervioso (o la varicosidad) se induce un aumento notable de la liberación del NT, transformándose así en una señal de información. Tradicionalmente se acepta, entonces, que es el potencial de acción el que inicia la liberación de un NT. El proceso por el cual sale el NT contenido en las vesículas es la exocitosis. La membrana de la vesícula queda incorporada en la membrana del terminal, pero es selectivamente recuperada e incorporada en un proceso de regeneración de nuevas vesículas (Ciclo exo-endocitósico) que permite el reuso de las vesículas en la función sináptica.

Las vesículas que liberan el NT tienen que estar ubicadas en el llamado sitio activo del terminal en lugares muy cercanos al punto de liberación (en las sinapsis rápidas) o en lugares más alejados como ocurre en las sinapsis lentas en las cuales el NT es algún péptido o alguna amina biogénica.

El potencial de acción al invadir el terminal activa canales de calcio dependientes de voltaje los cuales se abren produciéndose una entrada de calcio al terminal con el consiguiente incremento de su concentración en el terminal, en alrrededor de 10 nM, lo cual es suficiente para que actue como un señal. El blanco sobre el cual actúa esta señal no sólo se encuentra muy cercano al sitio de entrada sino que, además, reacciona muy rápidamente con este calcio. El efecto de este catión es provocar una rápida fusión de la membrana de la vesícula con la del terminal, sin embargo, aunque el mecanismo involucrado aun no está aclarado los eventos bioquímicos que ocurren durante este proceso han demostrado la participación de importantes proteinas de las membranas de la vesícula y del terminal nervioso.

Cuando el terminal está en reposo, hay tres proteinas presentes en la membrana vesicular que han demostrado tener importancia funcional. La sinaptofisina, la sinaptobrevina, que estan unidas formando un complejo, y la sinapsina I, no fosforilada, a través de la cual la vesícula esta unida a filamentos de actina del citoesqueleto.

Cuando aumenta la concentración de calcio en el terminal, se une a otra proteina la calmodulina, activándola para que induzca la estimulación de una enzima, la proteina quinasa II dependiente de calmodulina. Esta enzima activada provoca la fosforilación (usando ATP) de la sinapsina I, lo cual provoca su separación de la actina y de la vesícula, la cual queda entonces liberada.

Pero el calcio también provoca la separación del complejo sinaptofisina-sinaptobrevina de modo que la sinaptobrevina de la pared vesicular se comporta como un complejo molecular (V-SNARE) que tiene afinidad por otro complejo análogo (T-SNARE, formado por SNAP-25 y sintaxina) pero ubicado en la membrana del terminal. La unión entre ambos complejos permite que la vesícula se ubique y se fije en un punto de la membrana del terminal.