La melatonina es extraordinariamente eficaz para reducir el estrés oxidativo en un gran número de circunstancias. Esta acción se consigue por diversos medios: desintoxicación directa de las especies reactivas de oxígeno y nitrógeno, e indirectamente, estimulando las enzimas antioxidantes y suprimiendo la actividad de las enzimas prooxidantes.
Además de estas acciones bien descritas, la melatonina también quela metales de transición, que están implicados en las reacciones de Fenton/Haber-Weiss; al hacerlo, la melatonina reduce la formación del devastador radical hidroxilo tóxico que resulta en la reducción del estrés oxidativo. La distribución intracelular ubicua pero desigual de la melatonina, incluidas sus altas concentraciones en las mitocondrias, probablemente contribuyen a su capacidad para resistir el estrés oxidativo y la apoptosis celular. Existen pruebas creíbles que sugieren que la melatonina debería clasificarse como antioxidante dirigido a las mitocondrias. La capacidad de la melatonina para prevenir el daño oxidativo y el debilitamiento fisiológico asociado está bien documentada en numerosos estudios experimentales de isquemia/reperfusión (hipoxia/reoxigenación), especialmente en el cerebro (ictus) y en el corazón (infarto). La melatonina, a través de sus mecanismos antirradicales, también reduce la toxicidad de los medicamentos nocivos recetados y de la metanfetamina, una droga de abuso.
Los descubrimientos experimentales también indican que la melatonina hace que los cánceres resistentes al tratamiento sean sensibles a diversos agentes terapéuticos y puede ser útil, debido a sus múltiples acciones antioxidantes, especialmente para retrasar y quizás tratar una variedad de enfermedades relacionadas con la edad y afecciones deshumanizantes. La melatonina se ha utilizado eficazmente para combatir el estrés oxidativo, la inflamación y la apoptosis celular y para restaurar la función tisular en varios ensayos en humanos; su eficacia respalda su uso más extenso en una mayor variedad de estudios en humanos.
El perfil de seguridad poco común de la melatonina también refuerza esta conclusión. En opinión de los autores, a la vista de las muy diversas funciones beneficiosas de la melatonina que se han descrito, éstas pueden ser meros epifenómenos de la acción o acciones básicas más fundamentales, aún por identificar, de esta antigua molécula.