A mitokondriumok és kloroplasztiszok mint a melatoninszintézis eredeti helyszínei: a melatonin elsődleges funkciójával és evolúciójával kapcsolatos hipotézis az eukariótákban
A mitokondriumok és kloroplasztiszok az élő szervezetekben a szabadgyök-termelés fő forrásai. Emiatt ezek a szerveztek erős védelmet igényelnek a szabad gyökökkel és a kapcsolódó oxidatív stresszel szemben. A melatonin erős szabadgyökfogó és antioxidáns. Megfelel a mitokondriális és kloroplasztisz antioxidáns kritériumoknak. Bizonyítékok merültek fel arra vonatkozóan, hogy mind a mitokondriumok, mind a kloroplasztiszok képesek lehetnek a melatonin szintézisére és metabolizálására. A mitokondriumokban azonosították az arilalkilamin N-acetiltranszferáz (AANAT), a melatonin szintézis sebességkorlátozó enzimének aktivitását, és nagy mennyiségű melatonint találtak ebben az organellumban is. Evolúciós szempontból a mitokondriumok elődje valószínűleg a lila kén nélküli baktérium, különösen a Rhodospirillum rubrum, a kloroplasztiszok pedig valószínűleg a cianobaktériumok leszármazottai. Ezek a baktériumfajok a gazdaszervezet proto-eukarióták endoszimbiontái voltak, és fokozatosan átalakultak sejtorganellákká, azaz mitokondriumokká, illetve kloroplasztiszokká, és ezáltal eukarióta sejtek keletkeztek. Különös jelentőséggel bír, hogy mind a lila nem kénes baktériumok (R. rubrum), mind a cianobaktériumok melatonint szintetizálnak. A melatoninszintézishez szükséges enzimaktivitásokat ezekben a primitív fajokban is kimutatták. Feltételezésünk szerint a mitokondriumok és a kloroplasztiszok a melatoninszintézis eredeti helyszínei az endoszimbiózis korai szakaszában; ezt a szintetikus képességet a fent említett baktériumok vitték át a gazdaszervezet eukariótákba. Ráadásul melatonin-bioszintetikus kapacitásuk az evolúció során megmaradt. A legtöbb, ha nem is minden sejtben a mitokondriumok és a kloroplasztiszok lehetnek továbbra is a melatonin-termelés elsődleges helyszínei. A melatonintermelés más sejtkompartmentekben a mitokondriumokból és a kloroplasztiszokból származhatott. E hipotézis alapján az is megmagyarázható, hogy a növények melatoninszintje jellemzően miért magasabb, mint az állatoké. A növényekben valószínűleg a kloroplasztiszok és a mitokondriumok is szintetizálják a melatonint, míg az állati sejtek csak mitokondriumokat tartalmaznak. A mitokondriumok és kloroplasztiszok által termelt magas melatoninszintek arra szolgálnak, hogy megvédjék ezeket a fontos sejtorganellákat az oxidatív stresszel szemben, és fiziológiai funkcióikat megőrizzék. A melatonin mind a mitokondriumokban, mind a kloroplasztiszokban kimagaslóan jótékony hatásáról gyakran számoltak be.