La melatonina è un antico antiossidante. Dopo il suo sviluppo iniziale nei batteri, è stata mantenuta nel corso dell’evoluzione, tanto che può essere o essere stata presente in ogni specie esistente.

Anche se è stata mantenuta nel corso dell’evoluzione durante la diversificazione delle specie, la struttura chimica della melatonina non è mai cambiata; pertanto, la melatonina presente negli esseri umani attualmente in vita è identica a quella presente nei cianobatteri che sono esistiti sulla Terra per miliardi di anni. La melatonina presente nella circolazione sistemica dei mammiferi scompare rapidamente dal sangue, presumibilmente a causa del suo assorbimento da parte delle cellule, in particolare quando queste si trovano in condizioni di elevato stress ossidativo. La misurazione della distribuzione subcellulare della melatonina ha dimostrato che la concentrazione di questo indolo nei mitocondri supera di gran lunga quella nel sangue. La melatonina entra presumibilmente nei mitocondri attraverso i trasportatori oligopeptidici PEPT1 e PEPT2. Pertanto, la melatonina è specificamente indirizzata ai mitocondri, dove sembra funzionare come antiossidante di punta. Oltre a essere assunta dalla circolazione, la melatonina può essere prodotta anche nei mitocondri. Nel corso dell’evoluzione, i mitocondri hanno probabilmente avuto origine quando i batteri che formano la melatonina sono stati inglobati come cibo da procarioti ancestrali. Nel corso del tempo, i batteri inglobati si sono evoluti in mitocondri; questa è nota come teoria endosimbiotica dell’origine dei mitocondri. In questo caso, i mitocondri hanno mantenuto la capacità di sintetizzare la melatonina.

Pertanto, la melatonina non solo viene assunta dai mitocondri, ma questi organelli, oltre a svolgere molte altre funzioni, probabilmente producono anche melatonina. Le alte concentrazioni di melatonina e le sue molteplici azioni come antiossidante forniscono una potente protezione antiossidante a questi organelli che sono esposti ad abbondanti radicali liberi.