Mitochondriën en chloroplasten als de oorspronkelijke sites van melatonine synthese: een hypothese met betrekking tot melatonine’s primaire functie en evolutie in eukaryoten

Mitochondriën en chloroplasten zijn belangrijke bronnen van vrije radicalen generatie in levende organismen. Daarom hebben deze organellen een sterke bescherming nodig tegen vrije radicalen en de daarmee gepaard gaande oxidatieve stress. Melatonine is een krachtige vrije-radicalenvanger en antioxidant. Het voldoet aan de criteria als een mitochondriaal en chloroplast antioxidant. Er zijn aanwijzingen dat zowel mitochondriën als chloroplasten de capaciteit hebben om melatonine te synthetiseren en te metaboliseren. De activiteit van arylalkylamine N-acetyltransferase (AANAT), het gerapporteerde snelheidsbeperkende enzym in de melatoninesynthese, is geïdentificeerd in mitochondriën, en hoge concentraties melatonine zijn ook in dit organel aangetroffen. Vanuit evolutionair oogpunt is de voorloper van mitochondriën waarschijnlijk de paarse, niet-zwavelhoudende bacterie, met name Rhodospirillum rubrum, en zijn chloroplasten waarschijnlijk de afstammelingen van cyanobacteriën. Deze bacteriesoorten waren endosymbionten van gastheer-proto-eukaryoten en veranderden geleidelijk in cellulaire organellen, dat wil zeggen respectievelijk mitochondriën en chloroplasten, waardoor eukaryote cellen ontstonden. Van bijzonder belang is dat zowel paarse niet-zwavelhoudende bacteriën (R. rubrum) als cyanobacteriën melatonine synthetiseren. De enzymactiviteiten die nodig zijn voor de synthese van melatonine zijn ook in deze primitieve soorten ontdekt. Onze hypothese is dat mitochondriën en chloroplasten de oorspronkelijke plaatsen van melatoninesynthese zijn in het vroege stadium van endosymbiotische organismen; deze synthetische capaciteit werd door bovengenoemde bacteriën overgebracht in gastheer-eukaryoten. Bovendien is hun biosynthesecapaciteit voor melatonine tijdens de evolutie bewaard gebleven. In de meeste, zo niet in alle cellen zijn mitochondriën en chloroplasten nog steeds de voornaamste plaats waar melatonine wordt geproduceerd. De melatonineproductie in andere celcompartimenten kan zijn afgeleid van mitochondriën en chloroplasten. Op basis van deze hypothese kan ook worden verklaard waarom planten over het algemeen hogere melatoninegehaltes hebben dan dieren. In planten synthetiseren waarschijnlijk zowel chloroplasten als mitochondriën melatonine, terwijl dierlijke cellen alleen mitochondriën bevatten. De hoge hoeveelheden melatonine die door mitochondriën en chloroplasten worden geproduceerd, worden gebruikt om deze belangrijke celorganellen te beschermen tegen oxidatieve stress en hun fysiologische functies in stand te houden. De superieure gunstige effecten van melatonine in zowel mitochondriën als chloroplasten zijn veelvuldig gerapporteerd.