Desde un punto de vista evolutivo, la vitamina D y la melatonina aparecieron muy pronto y comparten funciones relacionadas con los mecanismos de defensa. En el ámbito clínico actual, la vitamina D se asocia exclusivamente al metabolismo fosfocálcico. Por su parte, la melatonina tiene efectos cronobiológicos e influye en el ciclo sueño-vigilia.

Sin embargo, la evidencia científica ha identificado nuevas acciones de ambas moléculas en diferentes escenarios fisiológicos y patológicos. Las vías biosintéticas de la vitamina D y la melatonina están inversamente relacionadas con la exposición al sol. Una deficiencia de estas moléculas se ha asociado con la patogénesis de enfermedades cardiovasculares, incluyendo la hipertensión arterial, enfermedades neurodegenerativas, trastornos del sueño, enfermedades renales, cáncer, trastornos psiquiátricos, enfermedades óseas, síndrome metabólico y diabetes, entre otras. Durante el envejecimiento, la ingesta y síntesis cutánea de vitamina D, así como la síntesis endógena de melatonina se ven notablemente mermadas, produciéndose por tanto un estado caracterizado por un aumento del estrés oxidativo, inflamación y disfunción mitocondrial. Ambas moléculas intervienen en el funcionamiento homeostático de las mitocondrias.

Dada la presencia de receptores específicos en el orgánulo, el antagonismo del sistema renina-angiotensina-aldosterona (SRAA), la disminución de especies reactivas de oxígeno (ROS), junto con modificaciones en la autofagia y la apoptosis, propiedades antiinflamatorias, entre otras, las mitocondrias emergen como la diana final común de la melatonina y la vitamina D. El objetivo principal de esta revisión es dilucidar los mecanismos moleculares comunes por los que la vitamina D y la melatonina podrían compartir un efecto sinérgico en la protección del correcto funcionamiento mitocondrial.