Em animais, é produzida e liberada pela glândula pineal. Em consequência, a melatonina não é armazenada no interior do pinealócito, sendo imediatamente liberada nos capilares sanguíneos que irrigam a glândula pineal após a sua formação. A glândula pineal participa na organização temporal dos ritmos biológicos, atuando como mediadora entre o ciclo claro–escuro ambiental e os processos regulatórios fisiológicos, incluindo a regulação endócrina da reprodução, regulação dos ciclos de atividade–repouso e sono–vigília, regulação do sistema imunológico, entre outros.
Em conseqüência, a melatonina tem sido usada para tratar doenças ligadas ao tempo, como o jet lag (descompasso entre o relógio biológico e o relógio social), que ocorre em virtude de alterações nos ritmos circadianos (24 horas), decorrentes de viagens intercontinentais, bem como para tratar de doenças crônicas ligadas ao sono, como a insônia e a apneia obstrutiva do sono. Além disso, a melatonina tem sido usada como um suplemento alimentar para aumentar a expectativa de vida e a longevidade, uma vez que a melatonina é um antioxidante.
Por isso é importante eliminar do ambiente quaisquer fontes de som, luz, aroma, ou calor que possam acelerar o metabolismo e impedir o sono, mesmo que não perceptíveis. Outra função atribuída à melatonina é a de antioxidante, agindo na recuperação de células epiteliais expostas à radiação ultravioleta e, através da administração suplementar, ajudando na recuperação de neurónios afectados pela doença de Alzheimer e por episódios de isquémia
.A melatonina é também considerada segura e eficaz na prevenção ou diminuição dos sintomas de jet lag. Estudo clínicos constataram que a melatonina ajuda a regular o horário orgânico com mais rapidez, criando as condições necessárias para atingir mais rápido relaxamento e descanso cerebral em viajantes, trazendo rápida adaptação ao novo fuso horário.
A melatonina foi primeiramente observada em conexão com o mecanismo pelo qual alguns anfíbios e répteis mudam a cor de sua pele. Em 1958, o professor de dermatologia Aaron B. Lerner e seus colegas da Yale University, na esperança de que uma substância da pineal pudesse ser útil no tratamento de doenças de pele, isolou o hormônio de extratos da glândula pineal bovina e deu-lhe o nome de melatonina. demonstraram que a produção de melatonina exibe um ritmo circadiano nas glândulas pineais humanas. A descoberta de que a melatonina é um antioxidante foi feita em 1993.
A primeira patente para seu uso como sonífero em baixas doses foi concedida a Richard Wurtman no MIT em 1995. Na mesma época, o hormônio ganhou muita atenção como um possível tratamento para muitas doenças.
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