Mitokondrier och kloroplaster som de ursprungliga platserna för melatoninsyntes: en hypotes om melatonins primära funktion och utveckling i eukaryoter

Mitokondrier och kloroplaster är viktiga källor till fria radikaler i levande organismer. På grund av detta behöver dessa organeller ett starkt skydd mot fria radikaler och tillhörande oxidativ stress. Melatonin är en potent fångar av fria radikaler och en antioxidant. Det uppfyller kriterierna som en mitokondriell och kloroplastisk antioxidant. Det har framkommit bevis för att både mitokondrier och kloroplaster kan ha kapacitet att syntetisera och metabolisera melatonin. Aktiviteten hos arylalkylamin-N-acetyltransferas (AANAT), det rapporterade hastighetsbegränsande enzymet i melatoninsyntesen, har identifierats i mitokondrier, och höga halter av melatonin har också hittats i denna organell. Ur evolutionär synvinkel är föregångaren till mitokondrierna troligen den lila icke-svavliga bakterien, särskilt Rhodospirillum rubrum, och kloroplasterna är troligen ättlingar till cyanobakterier. Dessa bakteriearter var endosymbionter i värdproto-eukaryoter och omvandlades gradvis till cellorganeller, dvs. mitokondrier respektive kloroplaster, och gav därmed upphov till eukaryota celler. Av särskild betydelse är att både lila icke-svavelbakterier (R. rubrum) och cyanobakterier syntetiserar melatonin. De enzymaktiviteter som krävs för melatoninsyntesen har också påvisats i dessa primitiva arter. Vår hypotes är att mitokondrier och kloroplaster är de ursprungliga platserna för melatoninsyntesen i det tidiga stadiet av endosymbiotiska organismer; denna syntetiska kapacitet fördes in i värd-eukaryoter av de ovan nämnda bakterierna. Dessutom har deras melatoninbiosynteskapacitet bevarats under evolutionen. I de flesta, om inte i alla celler, kan mitokondrier och kloroplaster fortsätta att vara de primära platserna för melatoninproduktion. Melatoninproduktionen i andra cellutrymmen kan ha härletts från mitokondrier och kloroplaster. På grundval av denna hypotes är det också möjligt att förklara varför växter vanligtvis har högre melatoninnivåer än djur. I växter syntetiserar sannolikt både kloroplaster och mitokondrier melatonin, medan djurceller endast innehåller mitokondrier. De höga nivåer av melatonin som produceras av mitokondrier och kloroplaster används för att skydda dessa viktiga cellorganeller mot oxidativ stress och bevara deras fysiologiska funktioner. De överlägsna positiva effekterna av melatonin i både mitokondrier och kloroplaster har ofta rapporterats.