Mitochondria i chloroplasty jako pierwotne miejsca syntezy melatoniny: hipoteza związana z pierwotną funkcją melatoniny i ewolucją w eukariontach

Mitochondria i chloroplasty są głównymi źródłami generacji wolnych rodników w organizmach żywych. Z tego powodu organelle te wymagają silnej ochrony przed wolnymi rodnikami i związanym z tym stresem oksydacyjnym. Melatonina jest silnym zmiataczem wolnych rodników i antyoksydantem. Spełnia kryteria antyoksydantów mitochondrialnych i chloroplastowych. Pojawiły się dowody wskazujące, że zarówno mitochondria, jak i chloroplasty mogą mieć zdolność do syntezy i metabolizowania melatoniny. Aktywno¶ć N-acetylotransferazy aryloalkiloaminowej (AANAT), enzymu limituj±cego tempo syntezy melatoniny, została zidentyfikowana w mitochondriach, a wysoki poziom melatoniny został stwierdzony również w tym organellu. Z ewolucyjnego punktu widzenia prekursorem mitochondriów jest prawdopodobnie purpurowa bakteria bezsiarkowa, zwłaszcza Rhodospirillum rubrum, a chloroplasty są prawdopodobnie potomkami cyjanobakterii. Te gatunki bakterii były endosymbiontami gospodarza proto-eukariontów i stopniowo przekształcały się w organella komórkowe, czyli mitochondria i chloroplasty, odpowiednio, dając w ten sposób początek komórkom eukariotycznym. Co szczególnie ważne, zarówno purpurowe bakterie bezsiarkowe (R. rubrum), jak i sinice syntetyzują melatoninę. Aktywno¶ć enzymów niezbędna do syntezy melatoniny została wykryta również u tych prymitywnych gatunków. Istnieje hipoteza, że pierwotnymi miejscami syntezy melatoniny we wczesnym stadium endosymbiotycznych organizmów były mitochondria i chloroplasty, a zdolność syntezy została przeniesiona do eukariontów-gospodarzy przez wyżej wymienione bakterie. Co więcej, ich zdolności biosyntezy melatoniny zostały zachowane w toku ewolucji. W większo¶ci, je¶li nie we wszystkich komórkach, mitochondria i chloroplasty mog± pozostać głównymi miejscami wytwarzania melatoniny. Produkcja melatoniny w innych przedziałach komórkowych mogła wywodzić się z mitochondriów i chloroplastów. Na podstawie tej hipotezy można również wyja¶nić, dlaczego u ro¶lin poziom melatoniny jest zwykle wyższy niż u zwierz±t. U roślin zarówno chloroplasty, jak i mitochondria prawdopodobnie syntetyzują melatoninę, podczas gdy komórki zwierzęce zawierają tylko mitochondria. Wysoki poziom melatoniny produkowanej przez mitochondria i chloroplasty jest wykorzystywany do ochrony tych ważnych organelli komórkowych przed stresem oksydacyjnym i do zachowania ich funkcji fizjologicznych. Często opisywano korzystne działanie melatoniny zarówno w mitochondriach, jak i chloroplastach.