Melatonin, epifiz bezinden salgılanan bir hormondur, epifiz bezi ise beynin merkezinde yer alan, küçük bir endokrin bezdir. Melatonin ilk olarak, 1958’de Amerikalı doktor Aaron B. Lerner ve Yale Üniversitesi Tıp Fakültesi’ndeki meslektaşları tarafından izole edildi. Melanosit uyarıcı, hormonun cilt koyulaştırıcı etkilerini tersine çevirerek, kurbağalarda cilt rengini açma kabiliyetine dayanarak maddeye adını verdiler. Amino asit triptofanın bir türevi olan melatonin, insanlarda, diğer memelilerde, kuşlarda, sürüngenlerde ve amfibilerde üretilir.
Melatonin, insanlarda uyku döngülerinin düzenlenmesinde (yani sirkadiyen ritimde) önemli bir rol oynar. Üretimi, gözün retinası tarafından ışık ve karanlığın algılanmasından etkilenir. Örneğin, gözünüzdeki retina ışığı algıladığında ve ışık tarafından uyarıldığında melatonin üretimi engellenir. Retinadaki özel fotoreseptör hücreler, beynin hipotalamusundaki üst kiyazmatik çekirdeğe (SCN) ışık durumu hakkında sinyaller gönderir. Bu sinyaller daha sonra epifiz bezine iletilir. Gece saatlerinde pik yapan epifiz bezi tarafından melatonin üretimi, vücut ısısının düşmesi ve solunum hızı gibi uykuyu destekleyen fizyolojik değişikliklere neden olur. Gün boyunca melatonin seviyeleri düşüktür çünkü retina tarafından büyük miktarda ışık tespit edilir. Melatonin üretiminin ışıkla engellenmesi, sabahları uyanıklığı uyarmak ve gün boyunca uyanıklığı sürdürmek için çok önemlidir.
Melatonin reseptörleri, SCN’de ve beynin hipofiz bezinde, yumurtalıklarda, kan damarlarında ve bağırsak yolunda bulunur. SCN’de yüksek bir reseptör konsantrasyonu vardır, çünkü burası melatoninin sirkadiyen ritim üzerindeki etkilerinin çoğuna aracılık ettiği yerdir. Melatoninin hipofiz bezindeki reseptörlerine ve yumurtalıklara bağlanması, kadınlarda üreme hormonlarının salınımını düzenlemede rol oynuyor gibi görünmektedir. Örneğin, kadınlarda adet döngülerinin zamanlaması, uzunluğu ve sıklığı melatonin tarafından etkilenir. Ek olarak, atlar ve koyunlar gibi bazı memelilerde (insanlar dışında) melatonin, daha uzun kış gecelerine yanıt olarak daha büyük miktarlarda ve yazın daha az üretildiğinden, üreme ve çiftleşme için içgüdü görevi görür. Çiftleşmelerini veya üremelerini, uygun mevsimlere (bahar gibi) denk gelecek şekilde zamanlayan hayvanlar, üreme döngülerini güneş gününün uzunluğuna göre düzenleyen, bir tür biyolojik saat olarak melatonin üretimi ile doğrudan bağlantısı olabilir.
Melatonin yaşlanma önleyici özelliklere sahiptir. Örneğin, zararlı oksidatif radikalleri nötralize eden bir antioksidan görevi görür ve belirli antioksidan enzimleri aktive edebilir. Melatonin üretimi yaşla birlikte kademeli olarak azalır ve kaybı yaşa bağlı birkaç hastalıkla ilişkilidir. Melatonin ayrıca, bağışıklık sisteminin belirli işlevlerini düzenleme konusunda rol oynar.