La mélatonine est un antioxydant ancien. Après son développement initial dans les bactéries, elle a été conservée tout au long de l’évolution, de sorte qu’elle est ou a été présente dans toutes les espèces qui ont existé.
Bien qu’elle ait été conservée tout au long de l’évolution pendant la diversification des espèces, la structure chimique de la mélatonine n’a jamais changé ; ainsi, la mélatonine présente chez les humains actuellement vivants est identique à celle présente dans les cyanobactéries qui existent sur Terre depuis des milliards d’années. Dans la circulation systémique des mammifères, la mélatonine disparaît rapidement du sang, probablement en raison de son absorption par les cellules, en particulier lorsqu’elles sont soumises à un stress oxydatif élevé. La mesure de la distribution subcellulaire de la mélatonine a montré que la concentration de cet indole dans les mitochondries dépasse largement celle du sang. La mélatonine pénètre vraisemblablement dans les mitochondries par l’intermédiaire des transporteurs d’oligopeptides, PEPT1 et PEPT2. La mélatonine est donc spécifiquement ciblée sur les mitochondries, où elle semble jouer le rôle d’antioxydant de pointe. En plus d’être absorbée dans la circulation, la mélatonine peut également être produite dans les mitochondries. Au cours de l’évolution, les mitochondries sont probablement apparues lorsque des bactéries formant de la mélatonine ont été englouties comme nourriture par des procaryotes ancestraux. Au fil du temps, les bactéries englouties se sont transformées en mitochondries ; c’est ce que l’on appelle la théorie endosymbiotique de l’origine des mitochondries. Ce faisant, les mitochondries ont conservé la capacité de synthétiser la mélatonine.
Ainsi, la mélatonine n’est pas seulement absorbée par les mitochondries, mais ces organites, en plus de leurs nombreuses autres fonctions, produisent probablement aussi de la mélatonine. Les concentrations élevées de mélatonine et ses multiples actions en tant qu’antioxydant offrent une puissante protection antioxydante à ces organites qui sont exposés à d’abondants radicaux libres.