Bei Melatonin handelt es sich um ein biogenes Amin, welches an der Steuerung des Schlaf-Wach-Rhythmus beteiligt ist. Endogen wird es in den Pinealozyten der Epiphyse (Zirbeldrüse) synthetisiert und unterliegt einem lichtgesteuerten Zyklus. Über den Schlaf-Wach-Rhythmus sind bisher nur einige Details bekannt, aber das komplette Zusammenspiel zwischen den einzelnen beteiligten Regionen und Botenstoffen ist ungeklärt.
Der Nucleus suprachiasmaticus im Hypothalamus spielt eine zentrale Rolle in diesem komplexen System. Er liegt in der Nähe der Sehnervkreuzung und erhält so Informationen über die Belichtung der Retina. Außerdem steht er mit der Epiphyse (Zirbeldrüse) in Verbindung, in der licht- und bei Winterschläfern auch temperaturabhängig Melatonin gebildet wird.
Beim Menschen ist die Konzentration an Melatoninrezeptoren im Frontallappen am höchsten, aber man findet sie auch im Klein- und Großhirn, der Retina, im Hippocampus und dem Thallamus, aber auch in der Haut und im kardiovaskulären System sind Melatoninrezeptoren vorhanden und üben einen vasokonstriktorischen Effekt aus.
Wenn Melatonin an membranständige Melatoninrezeptoren (MT1, MT2 und MT3) bindet, wird die Adenylatcyclase aktiviert und die Neubildung von cAMP aus ATP wird gehemmt. So nehmen aktivierte Melatoninrezeptoren Einfluß auf verschiedene Transkriptionsfaktoren, die mit der zirkadianen Rhythmik zusammenhängen. Außerdem konnte gezeigt werden das Melatonin einen direkten Einfluß auf T-Helferzellen hat und zur Freisetzung von Zytokinen (wie Interferon-Gamma und Interleukin-2) führt, was die Immunantwort stimuliert (daher die Einschränkung für Patienten mit Autoimmunerkrankungen) und antiinflammatorisch wirkt. Melatonin wirkt auch synergistisch mit antitumoralen Zytokinen und hat als Radikalfänger antioxidative Eigenschaften.