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A ativação dos recetores MT1 e MT2 inibe a enzima adenil-ciclase causando diminuição da concentração de AMPc, o qual reduz a ativação da proteina quinase A (PKA), provocando a inativação de várias vias celulares responsáveis pelo estado de vigília. Ambos os recetores parecem interferir também na ativação da fosfolipase C (PLC) que origina aumento de trifosfato de inositol (IP3) no citosol e ativa a proteína quinase C (PKC), a qual está envolvida com os efeitos dos receptores GABAa.
A melatonina, ao se ligar no recetor MT1 promove a ativação dos canais de potássio (tipo Kir3) com aumento na condutância do potássio com consequente saída da célula e subsequente hiperpolarização neuronal, causando o efeito hipnótico. Este efeito não mediado pelo recetor MT2.
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