Melatonin deluje v interakciji z dvema receptorskima beljakovinama, MT1 in MT2. Receptorja MT1 in MT2 nadzorujeta različne faze spanja: MT1 nadzoruje globoko spanje ali spanje REM, MT2 pa faze spanja pred sanjanjem [6].

Ti receptorji so prisotni v različnih organih in imunskih celicah, kar nakazuje, da melatonin nadzoruje tudi delovanje imunskega sistema in drugih sistemov v telesu [7].

Cirkadiani ritem je kot telesna ura. Je vgrajena funkcija, ki nadzoruje biološke procese v približno 24-urnem ciklu. Centralna ura se nahaja v SCN sprednjega hipotalamusa v možganih. Nadzoruje cirkadiani ritem telesa. Cirkadiani ritem pomaga nadzorovati cikel spanja in budnosti, telesno temperaturo in proizvodnjo hormonov [8].  

Svetloba iz okolja vpliva na signale, ki jih pošilja SCN. Pod nadzorom cirkadianega ritma epifiza proizvaja in izloča melatonin. V normalnih razmerah se melatonin izloča ponoči. Pri dnevni svetlobi so njegove količine v krvi nezaznavne [8].

Čeprav večina znanstvenikov meni, da lahko melatonin premakne fazo cirkadianega ritma in ga uri, je ta lastnost melatonina sporna [5, 9].

Pri mutantih zebric, ki nimajo melatonina, ribe manj spijo, vendar imajo še vedno normalen cirkadiani ritem (na podlagi proizvodnje per1B). Ista študija je pokazala, da melatonin povzroči spanje s povečanjem signalizacije adenozina v možganih rib [10]. Te mutantne ribe je bilo enako lahko zbuditi in so spale enako globoko kot kontrolne ribe.

Številne zdravstvene koristi melatonina izhajajo iz njegovih močnih antioksidativnih lastnosti, tako neposredno kot posredno.

Dajanje melatonina poveča celično proizvodnjo antioksidativnih encimov (superoksid dismutaza, glutation peroksidaza in γ-glutamilcistein sinteza), ki lahko povečajo količino antioksidantov, kot je glutation. Ti encimi pomagajo očistiti celice, mitohondrije in krvni obtok škodljivih reaktivnih kisikovih vrst [11, 4, 12].

Poleg tega se lahko sama molekula melatonina veže na reaktivne kisikove vrste (ROS) in reaktivne dušikove vrste (RNS) ter jih naredi manj škodljive [4]. Tako lahko melatonin pred oksidativnimi poškodbami zaščiti več tkiv in organskih sistemov. Tkiva, ki proizvajajo melatonin in se pri tem zanašajo nanj, so črevesje, jajčniki, testisi, leča, kostni mozeg in možgani [13].

Večina molekul (metabolitov), v katere se melatonin pretvori, ohrani tudi sposobnost vezave škodljivih kisikovih in dušikovih vrst, zaradi česar so melatonin in njegovi produkti zelo učinkovita zaščita [4].

Ena sama molekula melatonina lahko nevtralizira do 10 molekul ROS in RNS [14].

Blokira tudi encim, imenovan dušikov oksid sintaza, ki proizvaja reaktivne dušikove vrste in povzroča vnetja [15].

Mitohondriji so del celice, ki proizvaja energijo. Imajo lastno DNK. Kot tovarne energije so ključnega pomena za preživetje. Jedro in mitohondriji so območja, v katerih je največ melatonina [16].

Pri proizvodnji energije v mitohondrijih nastajajo reaktivne kisikove vrste (ROS) in reaktivne dušikove vrste (RNS). ROS in RNS poškodujejo mitohondrijsko DNK in beljakovine, zaradi česar ne morejo proizvajati energije. Te poškodbe lahko povzročijo tudi puščanje mitohondrijev, kar lahko privede do celične smrti (apoptoze) [4].

Melatonin zato pomaga organom, ki so najbolj odvisni od mitohondrijev, vključno z živčnim sistemom in srcem.

Več toksinov, ki motijo delovanje mitohondrijev, lahko povzroči simptome nevrodegenerativnih bolezni, zato se laboratorijske živali, zastrupljene s temi toksini, uporabljajo kot modeli za preučevanje takih bolezni.

Melatonin ščiti pred oksidativno škodo, ki jo povzročajo ti toksini, in pomaga obnoviti normalne celične funkcije, vključno z:

• Rotenon, toksin, ki se uporablja za posnemanje Parkinsonove bolezni pri podganah [17].
• MPTP (1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidropiridin), še en toksin, ki se uporablja za posnemanje Parkinsonove bolezni [18]. Pri miših melatonin prepreči poškodbe maščob in molekul DNK v številnih predelih možganov po vbrizgu MPTP. Zaradi njega se tudi številne pomembne beljakovine vrnejo v normalno stanje [19].
• 3-NPA, ki je toksin iz glivic, ki okužijo sladkorni trs. Znani so primeri otrok, ki so jedli okužen sladkorni trs, pri katerih se je razvilo stanje, podobno Huntingtonovi bolezni [20]. Pri podganah, ki jih je prizadel ta strup, melatonin prepreči izgubo živčnih celic, popravi škodljivo vedenje, prepreči poškodbe beljakovinskih in maščobnih molekul ter obnovi raven dopamina [20].
• Cianid [21, 22], zelo smrtonosen strup, ki povzroča množično odmiranje živčnih celic in napade, ki se končajo s smrtjo. Poškoduje tudi mitohondrije živčnih celic. Pri miših, ki so prejele injekcije cianida, je predhodno zdravljenje z melatoninom zmanjšalo resnost napadov, ki jih je povzročil strup [21]. Melatonin ščiti tudi pred poškodbami mitohondrijske DNK, ki jih povzroči kalijev cianid pri miših in v kulturi [22].

Melatonin s svojim antioksidativnim delovanjem varuje pred oksidativnimi poškodbami, ki jih povzročajo stranski produkti proizvodnje energije v mitohondrijih. Pri živalih in celicah ščiti tudi pred oksidativnimi poškodbami zaradi drugih toksinov.

Melatoninski receptorji so prisotni v številnih imunskih celicah [7]. Je imunomodulatoren, kar pomeni, da zmanjšuje prekomerno delovanje imunskega sistema pri vnetnih stanjih in krepi delovanje imunskega sistema pri imunsko oslabljenih ljudeh.

Melatonin lahko zmanjša proizvodnjo vnetnih citokinov, vključno z IL-6, IL-8 in TNF-alfa [23].

Poleg tega lahko melatonin z zmanjšanjem prostih radikalov v mikroglijih (imunske celice, ki so značilne za možgane) z zmanjšanjem NF-kB zmanjša vnetje možganov [24].

Melatonin lahko pri ljudeh in glodavcih spodbuja zdrave imunske odzive ter odpravlja zaviranje imunskega sistema zaradi staranja, steroidnih zdravil, izpostavljenosti svincu in kemikalijam [25].

Številne imunske celice imajo melatoninske receptorje, ki lahko ob aktivaciji zmanjšajo proizvodnjo vnetnih spojin.

Melatonin uravnava cikel spanja in budnosti [2].

Pri bolnikih z nespečnostjo je koncentracija melatonina bistveno nižja v primerjavi z ljudmi z normalnim spanjem [26].

Melatonin povzroča spanje prek dveh melatoninskih receptorjev, MT1 in MT2 [26].

V metaanalizi 1683 oseb z motnjami spanja je, melatonin pomagal bolnikom hitreje zaspati, spati dlje in izboljšati kakovost spanja [27].

Druga metaanaliza je pokazala, da je melatonin najbolj koristen pri sindromu zapoznele faze spanja (težave pri uspavanju), vendar morda ni koristen pri drugih vrstah motenj spanja [28].

Melatonin se preučuje tudi kot možnost za otroke z avtističnimi motnjami in ADHD, ki imajo težave s spanjem. Pri ADHD je dajanje melatonina otrokom pomagalo, da so v povprečju zaspali uro prej, vendar je na tem področju potrebnih še veliko raziskav [29].

Melatonin je najbolj obetaven pri ljudeh, ki težko zaspijo, ne pa tudi pri ljudeh z drugimi vrstami motenj spanja. Če menite, da imate sindrom zakasnele faze spanja, se pogovorite z zdravnikom, da vam postavi točno diagnozo in določi ustrezne možnosti zdravljenja.

Motnje cirkadianega ritma (CRSD) so motnje, ki se pojavijo, kadar cirkadiani sistem ne deluje pravilno zaradi jet laga ali izmenskega dela. To povzroča vztrajen vzorec motenj spanja [8]. Melatonin in melatoninski dodatki lahko pri živalih in ljudeh premaknejo fazo cirkadianega ritma [8, 30].

Parkinsonova bolezen pogosto moti spanje [31].

Obstaja več študij, ki kažejo, da melatonin izboljša spanje pri bolnikih s to boleznijo, vendar ne izboljša drugih povezanih simptomov [32, 33].

Na živalskem modelu Parkinsonove bolezni melatonin preprečuje odmiranje celic in poškodbe možganov [11].

Zdravljenje starejših bolnikov z Alzheimerjevo boleznijo (AD) s svetlo svetlobo zjutraj in melatoninom ponoči je izboljšalo njihov spanec in splošni počitek [44].

Podobna študija, ki so jo več let izvajali na Nizozemskem, je pokazala, da je kombinirano zdravljenje bolnika z AD z močno svetlobo in melatoninom ugodno vplivalo tako na počitek kot na duševne težave [45].

Pri ljudeh so pri starejših bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo tako ravni MT1 kot MT2 nizke [46].

V mišjih živčnih celicah melatonin preprečuje celično smrt, ki jo povzroči amiloid beta 25-35, snov, ki povzroča stanje, podobno Alzheimerjevi bolezni [47].

Zmanjšanje aktivnosti in sinteze melatonina lahko deloma pojasni motnje spanja in težave s procesiranjem informacij, ki jih opažamo pri bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo [48].

Melatoninovi antioksidativni učinki so bili pri zdravljenju živalskega modela Alzheimerjeve bolezni učinkovitejši od vitamina C. Tudi oksidativni stres je zmanjšal bolje kot vitamin E [11].

Številne študije niso pokazale nobene koristi za kognicijo pri bolnikih z Alzheimerjevo boleznijo in demenco, ki so prejemali dodatke melatonina [49, 50].

Dodajanje melatonina je bilo povezano tudi s poslabšanjem razpoloženja glede na ocene, ki so jih podali bolnikovi skrbniki [51].