Mitochondrien und Chloroplasten als ursprüngliche Orte der Melatoninsynthese: eine Hypothese zu Melatonins primärer Funktion und Evolution in Eukaryonten

Mitochondrien und Chloroplasten sind wichtige Quellen für die Bildung freier Radikale in lebenden Organismen. Aus diesem Grund benötigen diese Organellen einen starken Schutz vor freien Radikalen und dem damit verbundenen oxidativen Stress. Melatonin ist ein starker Radikalfänger und Antioxidans. Es erfüllt die Kriterien eines mitochondrialen und chloroplastischen Antioxidans. Es gibt Hinweise darauf, dass sowohl Mitochondrien als auch Chloroplasten die Fähigkeit haben, Melatonin zu synthetisieren und zu metabolisieren. Die Aktivität der Arylalkylamin-N-Acetyltransferase (AANAT), des geschwindigkeitsbeschränkenden Enzyms bei der Melatoninsynthese, wurde in Mitochondrien identifiziert, und in dieser Organelle wurden auch hohe Melatoninmengen gefunden. Aus evolutionärer Sicht ist der Vorläufer der Mitochondrien wahrscheinlich das schwefelfreie Purpurbakterium, insbesondere Rhodospirillum rubrum, und die Chloroplasten stammen wahrscheinlich von den Cyanobakterien ab. Diese Bakterienarten waren Endosymbionten von Proto-Eukaryonten und verwandelten sich allmählich in zelluläre Organellen, d. h. Mitochondrien bzw. Chloroplasten, wodurch eukaryotische Zellen entstanden. Von besonderer Bedeutung ist, dass sowohl Purpur-Nichtschwefelbakterien (R. rubrum) als auch Cyanobakterien Melatonin synthetisieren. Die für die Melatoninsynthese erforderlichen Enzymaktivitäten wurden auch bei diesen primitiven Arten nachgewiesen. Unsere Hypothese ist, dass Mitochondrien und Chloroplasten die ursprünglichen Orte der Melatoninsynthese in der Frühphase endosymbiotischer Organismen sind; diese Synthesekapazität wurde von den oben genannten Bakterien in die Wirtseukaryoten übertragen. Außerdem sind ihre Melatonin-Biosynthesekapazitäten im Laufe der Evolution erhalten geblieben. In den meisten, wenn nicht in allen Zellen, dürften Mitochondrien und Chloroplasten weiterhin die primären Orte der Melatoninproduktion sein. Die Melatoninproduktion in anderen zellulären Kompartimenten könnte von den Mitochondrien und Chloroplasten abgeleitet worden sein. Auf der Grundlage dieser Hypothese lässt sich auch erklären, warum Pflanzen in der Regel höhere Melatoninwerte aufweisen als Tiere. In Pflanzen synthetisieren wahrscheinlich sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien Melatonin, während tierische Zellen nur Mitochondrien enthalten. Die hohen Melatoninmengen, die von Mitochondrien und Chloroplasten produziert werden, dienen dem Schutz dieser wichtigen Zellorganellen vor oxidativem Stress und der Aufrechterhaltung ihrer physiologischen Funktionen. Über die überragenden positiven Wirkungen von Melatonin sowohl in Mitochondrien als auch in Chloroplasten wurde häufig berichtet.