Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, 11, 221-240 

221 

 

 1568-0266/11 $58.00+.00 

© 2011 Bentham Science Publishers Ltd. 

Melatonin-mitochondria Interplay in Health and Disease 

Darío Acuña Castroviejo

1,2

*, Luis C López

1,3

, Germaine Escames

1,3

, Ana López

1,3

, José A García

1,3

and Russel J. Reiter

1

Instituto de Biotecnología, Centro de Investigación Biomédica, Universidad de Granada, Granada, Spain, 

2

Servico de 

Análisis Clínicos, Hospital Universitario San Cecilio, Granada, Spain, 

3

Departamento de Fisiología, Facultad de Medi-

cina, Universidad de Granada, Granada, Spain, 

4

Department of Cellular and Structural Biology, The University of 

Texas Health Science Center at San Antonio, San Antonio, Texas, USA 

Abstract: Although two main hypotheses of mitochondrial origin have been proposed, i.e., the autogenous and the endo-
symbiotic, only the second is being seriously considered currently. The ‘hydrogen hypothesis’ invokes metabolic symbio-
sis as the driving force for a symbiotic association between an anaerobic, strictly hydrogen-dependent (the host) and an 
eubacterium (the symbiont) that was able to respire, but which generated molecular hydrogen as an end product of an-
aerobic metabolism. The resulting proto-eukaryotic cell would have acquired the essentials of eukaryotic energy metabo-
lism, evolving not only aerobic respiration, but also the physiological cost of the oxygen consumption, i.e., generation of 
reactive oxygen species (ROS) and the associated oxidative damage. This is not the only price to pay for respiring oxygen: 
mitochondria possess nitric oxide (NO•) for regulatory purposes but, in some instances it may react with superoxide anion 
radical to produce the toxic reactive nitrogen species (RNS), i.e. peroxynitrite anion, and the subsequent nitrosative dam-
age. New mitochondria contain their own genome with a modified genetic code that is highly conserved among mammals. 
The transcription of certain mitochondrial genes may depend on the redox potential of the mitochondrial membrane. Mi-
tochondria are related to the life and death of cells. They are involved in energy production and conservation, having an 
uncoupling mechanism to produce heat instead of ATP, but they are also involved in programmed cell death. Increasing 
evidence suggest the participation of mitochondria in neurodegenerative and neuromuscular diseases involving alterations 
in both nuclear (nDNA) and mitochondrial (mtDNA) DNA. Melatonin is a known powerful antioxidant and anti-
inflammatory and increasing experimental and clinical evidence shows its beneficial effects against oxidative/nitrosative 
stress status, including that involving mitochondrial dysfunction. This review summarizes the data and mechanisms of ac-
tion of melatonin in relation to mitochondrial pathologies. 

Keywords: Oxidative stress, nitric oxide, mitochondrial diseases, melatonin therapy. 

INTRODUCTION 

Mitochondrial Functions 

  Mitochondria are specialized in the rapid oxidation of 
NADH and FADH produced during glycolysis, Krebs cycle 

and -oxidation of fatty acids by the transfer electrons from 
these precursors to oxygen. The electron transport chain 
(ETC) is a system of oxido-reductan protein complexes 
(complexes I, II, III and IV) and two electron carriers (coen-
zyme Q and cytochrome c) in the inner mitochondrial mem-
brane. According to the chemiosmotic hypothesis, C-I, C-III 

and C-IV pump protons yielding a proton gradient along the 
mitochondrial inner membrane. This proton gradient is a 
source of free energy that is dissipated when protons enter 
the inner mitochondrial membrane via the ATP synthase [1]. 
During this process, ADP is phosphorylated to ATP. Mito-
chondrial DNA codifies several components of the respira-

tory complexes: 7 of C-I; cyt b corresponding to a cofactor 
of C-III; 3 of the C-IV and 2 of the ATP synthase [2]. In 
aerobic cells, oxidative phosphorylation (OXPHOS) is re-
sponsible for production of 90-95% of the total amount of  
 

*Address correspondence to this author at the de Investigación Biomédica, 
Parque Tecnológico de Ciencias de la Salud, Avenida del Conocimiento s/n, 
18100 Armilla, Granada, Spain; Tel: +34958241000; Ext: 20169;  
Fax: +34958819132; E-mail: dacuna@ugr.es 

ATP, and more than 90% of the respiratory phosphorylation 
is catalyzed by ATP synthase, an enzyme converting the 
respiratory chain-produced electrochemical proton potential 
difference (μ

H

+

) into ATP [3]. The respiration-produced 

H

+

 can be utilized by mitochondria not only to form ATP 

but also to support some other energy-consuming processes 
including transport of certain solutes from the cytosol to the 
matrix. Mitochondria are also of central importance for 
physiological Ca

2+

 handling, acting as a reservoir for Ca

2+

Mitochondrial Ca

2+

 regulates the activity of mitochondrial 

dehydrogenases as well as nucleic acid and protein synthesis 
[4]. Several factors have been proposed to regulate respira-
tion including ATP (respiratory control), Ca

2+

 and proton 

leak [5].  
 

Dissipation of energy as heat to maintain body tempera-

ture at a level higher than in the environment is another im-
portant function of mitochondria. The mechanism is referred 
to as thermoregulating uncoupling of respiration and phos-
phorylation. Uncoupling results in dissipation of the respira-
tory chain-produced μ

H

+

 due to increased proton conduc-

tance of the inner membrane. Thus, energy released by respi-

ration is dissipated immediately as heat without formation 
and hydrolysis of ATP. Non-esterified fatty acids proved to 
be compounds mediating the thermoregulatory uncoupling. 
They operate as protonophorous uncouplers with the help of 
special uncoupling proteins (UCPs) [6]. It is known that in 

222    Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol11No2 

Castroviejo et al. 

the rat, T

3

 influences in rat the expression of nine nuclear-

encoded respiratory genes, regulates mitochondrial RNA 
synthesis through both the activation of a mitochondrial tran-
scription factor A (TFAM) and the specific mitochondrial T

3

 

receptors, and stimulates the expression of the mRNA for 
UCP2 and UCP3 [7-9].  

 

UCPs are proton transporters across the inner mitochon-

drial membrane, driven only by the membrane potential [10]. 
One of the proposed mechanisms for proton transport in-
volves fatty acids, which provide one or more carboxyl 
groups along the translocation channel, and deliver their pro-
tons to an acceptor group (carboxyl groups of the other fatty 
acid), which in turn delivers protons into the matrix. The 
UCP family, including UCP1, UCP2, UCP3, UCP4 and 
UCP5 form a subfamily within the gene family of mitochon-
drial anion carriers [11]. While UCP1 is known to play an 
important role in regulating heat production during cold ex-
posure, possible roles for other UCPs are yet controversial 
and they may include: regulation of ATP synthesis; control 
of reactive oxygen species (ROS) production by mitochon-
dria; control of adaptative thermogenesis in response to cold 
and diet, and regulation of fatty acid oxidation [12, 13]. 
These UCPs probably do not transport protons except in the 
presence of specific activators [14]. Fatty acids, ROS and 
free-radical-derived alkenals are activators of proton trans-
port through UCPs, whereas purine nucleotides are inhibi-
tory [12, 13]. A failure to control ROS damage can cause the 
collapse of multiple vital functions, including mitochondrial 
energy conservation, culminating in loss of membrane integ-
rity and cell death by necrosis and/or apoptosis [6]. The 
UCP-dependent uncoupling mitochondrial depolarization 
reduces ROS production and thus inhibits the permeability 
transition pore (PTP) preventing the proapoptotic cascade. It 
was suggested that decreased superoxide anion radical 
(O

2

•) production occurs because uncoupling increases the 

rate of electron transport, diminishing the probability that 
electrons will escape from the respiratory chain and interact 
with molecular oxygen. Other functions, including UCP2 
and UCP3 mediation of ROS signaling and insulin secretion 
and transport or export of fatty acids and fatty acid perox-
ides, as well as a direct interaction between UCP2 with the 
antiapoptotic bcl-2 family, also have been proposed [6, 14]. 

Mitochondrial DNA 

 

Mitochondrial DNA consists of a closed-circular, dou-

bled-stranded DNA molecule of about 16.6 kbp. Most in-
formation is encoded on the heavy (H) strand, with genes for 
two rRNAs, 14 tRNAs, and 12 polypeptides. The light (L) 
strand codes for 8 tRNA, and a single polypeptide. All 13 
polypeptides are constituents of the enzyme complexes of 
the ETC. The genes lack introns and, except for one regula-
tion region, intergenetic sequences are absent or limited to a 
few bases. Replication and transcription in mitochondria 
depend upon trans-acting nuclear-encoded factors [2, 15]. 

 

Transcription of mtDNA is controlled by a human disso-

ciable transcription factor (TFAM) acting in concert with the 
mitochondrial RNA polymerase and a factor mediating at-
tenuation of transcription (MTERF). As no intron sequences 
are present in vertebrate mtDNA, and intergenetic sequences 
are minimal. Processing of the long polycistronic H- and L-

strand messengers is thought to be a relatively simple proc-
ess requiring only a few enzymes. Genes for tRNAs flank the 
two rRNAs genes and nearly every protein gene, suggesting 
that the secondary structure of the tRNA sequences provide 
the punctuation marks in the reading of the mtDNA informa-
tion. One initiation factor (mtIF-2) and three mitochondrial 
elongation factors (mtEFs) have been identified and partici-
pate in the polypeptidic chain elongation. Mammalian 
mtDNA replication is a slow and unidirectional process. 
DNA polymerase  (POLG) is the only DNA polymerase 
present in mitochondria, and it is necessary for mtDNA syn-
thesis. In addition to its role in transcription, TFAM appears 
to have a function in maintenance of mtDNA [2, 16]. Be-
cause the mitochondrial genes encode only a few proteins, 
almost all of the mitochondrial proteins must be imported 
into the mitochondria after the proteins are synthesized by 
cytoplasmic free ribosomes as preproteins [17]. These usu-
ally have 20 amino acid N-terminal extensions (prese-
quences), which can direct the preproteins to the mitochon-
dria [18]. Cytoplasmic import factors deliver the preproteins 
to the outer surface of the mitochondria; then import systems 
of the outer membrane (Tom, translocase of the outer mem-
brane) and the inner membrane (Tim, translocase of the inner 
membrane) transport the preproteins to their final destina-
tions [19, 20]. Fundamental mechanisms of mitochondrial 
protein import seem to be conserved from eukaryotes to 
mammals. 

Mitochondria and Apoptosis 

 

Mitochondria exert a central role in eukaryote life and 

death [21-23]. Apoptosis, or programmed cell death, is a 
genetically controlled pathway that can eliminate unwanted 
cells. Apoptosis may be initiated for homeostatic regulation, 
aging, and to eliminate potentially tumorigenic cells. Apop-
tosis is now recognized as an essential aspect of development 
[24]. Mitochondria promote the release of proapoptotic fac-
tors including cytochrome c and other "death factors" in the 
intermembrane space [25], and activate the apoptotic cascade 
leading to cell death [26]. Under some conditions, Ca

2+

 over-

load leads to mitochondrial swelling, loss of respiratory con-
trol, collapse of 

m

, and release of matrix Ca

2+

 caused by a 

permeabilization of the mitochondrial inner membrane (PTP) 
to molecules up to 1.5 kDa. Structurally, the PTP is formed 
by the adenine nucleotide translocase (ANT), and electro-
physiological studies also have shown the interaction of PTP 
with the membrane porins and with the mitochondrial ben-
zodiazepine receptor [4, 27].  

  The PTP can switch from low- to high-conductance 
states. The conformational switch appears to be dependent 
on the saturation of the internal Ca

2+

 binding of the channel. 

The low-conductance state of PTP may be responsible for 
mitochondrial volume homeostasis, and contributes to a sig-
nificant part of the final cytosolic Ca

2+

 signalling [27]. Thus, 

under its low-conductance conformation, the PTP does not 
impair mitochondrial functions and is operated by changes in 
matrix pH accompanying mitochondrial Ca

2+

 uptake. The 

high-conductance state of the PTP involves a massive open-
ing of many such pores activated by the cooperative binding 
of two Ca

2+

 ions to its matrix domain, with a molecular cut-

off of 1.5 kDa. This induces, in vitro al least, a complete 

Melatonin-mitochondria Interplay in Health and Disease 

Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol. 11, No. 2    223 

collapse of the proton gradient, allowing for the efflux of a 
variety of other ions, and of small molecules such as 
pyrimidic and adenylic nucleotides, and promotes the diffu-
sion of components from the incubation medium into the 
matrix, e.g. sucrose. The high-conductance state of PTP is 
highly regulated, and exhibits the features of a Ca

2+

-, volt-

age- and pH-gated channel [27], modulated by the redox and 
phosphate potentials. Opening of the PTP appears to be regu-
lated by direct binding of a mitochondrial cycloplilin (cyclo-
philin D) to its matrix domain, accounting for the inhibitory 
effect of Cyclosphorin A (CsA). In this context, two proc-
esses take place: the permeabilization of the outer mitochon-
drial membrane and PTP opening. The first event releases 
cytochrome c to cytosol, whereas PTP causes 

m

 collapse 

[28], considered the point of no return, i.e., the point at 
which apoptosis can no longer be reversed [29]. 

 

The PTP may be also regulated by the ROS leaking from 

the ETC. The shift from a low to a high-conductance state is 
promoted by the oxidation of NADPH by oxidative stress. 
This impairs the antioxidant function of glutathione (GSH) 
[30]. The participation of ROS in the opening PTP is clear, 
since PTP opening does not occur in the absence of molecu-
lar oxygen [30]. The PTP possesses at least two redox-
sensitive sites that both increase the probability of opening 
after oxidation: the S-site, a dithiol in apparent redox equilib-
rium with matrix GSH, and the P-site, in apparent redox 
equilibrium with the pyridine nucleotides [31]. Glutathione 
disulfide (GSSG) is probably the immediate oxidant of the 
S-site and many pore inducers such as hydrogen peroxyde 
(H

2

O

2

) appear to affect the pore through changes at the level 

of GSH rather than the direct oxidation of the S-site. In turn, 
oxidation of the P-site by oxidized pyridine nucleotides can 
induce PTP under conditions where the GSH pool is main-
tained in a fully reduced state. Under conditions of oxidative 
stress, the mitochondrial levels of GSH and reduced pyridine 
nucleotides are connected through energy-linked transhydro-
genase and glutathione reductase (GRd) and thus it is diffi-
cult for these compound to independently modulate the S- 
and the P-site in vivo [31].  

 

Apoptosis may have evolved in glycolyzing host cells to 

punish respiring guests if they formed excessive ROS [3]. In 
fact, the protomitochondria brought respiration to the part-
nership and with it the power to kill the new cell through the 
production of ROS [32]. It is obvious that in modern organ-
isms, the functions of apoptosis (at mitoptosis) are not re-
stricted by elimination of the ROS-overproducing mitochon-
dria and cells. However, apoptotic stimuli are processed in-
side the cell in such a way that as increases in intramito-
chondrial (intracellular) levels of ROS are initiated. The pro-
duction of O

2

• and H

2

O

2

 by the ETC is the inevitable side 

effect of the ETC induced by one or two electron reduction 
of O

2

 [3]. In some instances, the production of ROS in-

creases and may induce PTP opening. Increased PTP in mi-
tochondria cannot survive due to the collapse of 

m

, since 

PTP permits the efflux of molecules up to 1.5 kDa; the high 
molecular mass compounds in the matrix exert an osmotic 
effect and water enters the matrix causing its swelling. As a 
result, mitochondrial cristae straighten and the outer mem-
brane is broken since it is much smaller that the inner. The 
lost of the outer membrane integrity means that all the inter-
membrane proteins are released into the cytosol including 

some involved in apoptosis, e.g. cyt c, apoptosis-inducing 
factor (AIF) and some procaspases [3, 29, 33]. Cyt c and AIF 
form a complex with the cytosolic Apaf-1 and ATP. The 
complex hydrolyzes inactive procaspase 9 to active caspase 
9, which in turn hydrolyzes procaspase 3 to caspase 3. 
Caspase 3 attacks some other key proteins resulting in con-
trolled cell death [34]. In the interplay bewteen life and death 
there are many other families of proteins. Among them, the 
Bcl-2 family of proteins (Bcl-2, Bcl-x

L

, Mcl-1,…) inhibit 

apoptosis by preventing the mitochondrial release of the in-
termembrane proteins [34, 35], whereas Bax, Bcl-x

S

, Bad, 

Bak,… promote apoptosis [36]. Once the process gets past 
the mitochondria, the anti-apoptotic proteins have no effect 
[26].  

Mitochondrial Pathologies 

 

The functional activity of mitochondria depends on a 

precise cross-talk between two different genetic systems, i.e., 
nuclear and mitochondrial genomes [37]. A series of mecha-
nisms controlling the mitochondrial genetic system and in-
tergenomic communications have been recently summarized 
[38]. Thus, defects of mitochondrial metabolism may be as-
sociated with mutations of mtDNA or nDNA. Abnormalities 
of mitochondrial metabolism causing human disease have 
been recognized for more than 30 years. They encompass 
defects of fatty acid oxidation, Krebs cycle enzymes and the 
OXPHOS system. Some of these pathologies are not a pri-
mary cause of an alteration in mitochondrial metabolism, but 
it is altered changed of these. Alterations in energy produc-
tion accompany abnormal hormonal changes (hyper and hy-
pothyroidism-induced changes in UCPs expression altering 


m

) [3, 9, 39], or as a consequence of ischemia/reperfusion, 

excitotoxicity, or sepsis. In all of these conditions, there is an 
increase in ROS production and an alteration in mitochon-
drial function that may lead to cell death [40, 41]. Moreover, 
as mtDNA encodes proteins of the OXPHOS, such muta-
tions frequently result in a deficiency in one or more con-
stituents of these enzymes complexes. A recently-described 
group of alterations involves mitochondrial transmembrane 
carrier deficiencies that constitute the mitochondriopathies 
[42]. In addition to increasing the quantity of ROS which 
DNA, they produce an elevation in poly-(ADP-ribose) syn-
thetase (PARS) to repair the damaged DNA. This enzyme 
ADP-rybosylates proteins depleting the intracellular concen-
tration of its substrate, NAD

+

, slowing the ETC and ATP 

production [43, 44]. Primary OXPHOS defects [45] are 
caused by mutations of mtDNA or nDNA genes encoding 
subunits of the ETC complexes, including mutations affect-
ing mitochondrial targeting of protein, i.e., the N-terminus 
sequence. A defect in the importance of the Rieske iron-
sulphur center has been postulated. Other alterations of 
mtDNA occur, including changes in tRNA and protein en-
coding genes of the ETC complexes, and cyt b. In turn, OX-
PHOS deficiencies may result in increased ROS [45]. Sec-
ondary OXPHOS deficiencies are induced by both genetic 
and environmental factors. Alteration in mtDNA transcrip-
tion, translation and replication are also included [45]. En-
dogenous and exogenous toxins may impair OXPHOS. Ag-
ing itself may be a result of ROS production and mitochon-
drial damage. Toxins such as MPTP cause neurodegenera-

224    Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol11No2 

Castroviejo et al. 

tive diseases, especially Parkinsonism, and demonstrate the 
involvement of ROS in this pathology [45, 46]. 

Neuromuscular Disorders 

 

Nuclear mutations can affect genes encoding enzymatic 

or structural mitochondrial proteins, assembly factors, trans-
locases, intergenomic signalling mitochondrial protein im-
portation, the composition of the lipid bilayer of the inner 
mitochondrial membrane, and mitochondrial dynamics. 
mtDNA mutations fall in three main categories: sporadic 
rearrangements (deletions/duplications), maternally inherited 
rearrangements (duplications), and maternally-inherited 
point mutations. 

Disorders Due to Defects of mtDNA 

 

A large number of diseases are related to alterations in 

mtDNA. Most mutations result in well-defined syndromes 
althought clinical overlap often takes place in mtDNA-
related disorders. Mitochondrial genetic differs from men-
delian genetic in several ways: i) polyplasmy, which means 
that each cell contain hundreds or thousands of mtDNA cop-
ies; ii) heteroplasmy, which means that harmful mutations of 
mtDNA usual affect some but not all mtDNAs; iii) threshold 
effect, since a minimal critical number of mutant mtDNAs 
(tipically 80-90%) is required to cause mitochondrial dys-
function and to express clinical symptoms; iv) mitotic segre-
gation, since at cell division the proportion of mutant 
mtDNA in daughter cells may vary, thus explaining how the 
clinical phenotype in patients with mtDNA-related disorders 
may vary over the years; and v) maternal inheritance, since 
all mtDNA derives from oocyte. The mtDNA alterations 
include:  

Sporadic Rearrangements of mtDNA (Single Deletions or 
Duplications) 

 

There are three main clinical syndromes: i) Kearns-Sayre 

syndrome, a subtype of progressive external ophthalmople-
gia (PEO) with early onset (before 20 years), limb weakness 
and fatigue; ii) Pearson syndrome, manifested in infancy as a 
severe hematopoietic disorder with sideroblastic anemia and 
exocrine pancreas dysfunction; and iii) sporadic PEO with 
ragged-red fibers (RRF) [47, 48].  

Maternally Inherited Rearrangements of mtDNA 

 

Although there is no evidence that single mtDNA dele-

tions are inherited, there are a few disorders in which dupli-
cations/deletions are maternally transmitted. These condi-
tions are usually associated with diabetes and myopathy [47].  

mtDNA Point Mutations 

 

About 200 mtDNA point mutations have been associated 

with human diseases. The most frequents diseases caused by 
mtDNA mutations are: i) myoclonus epilepsy with RRF, 
characterized by myoclonus, generalized seizures, cerebellar 
ataxia, and myopathy. Muscle biopsy shows RRF, which are 
typically COX negative; ii) mitochondrial encephalomyopa-
thy, lactic acidosis, and stroke-like episodes (MELAS), char-
acterized by convulsive episodes with hemiparesia or hemi-
anopia, before 40 years and often in childhood. Common 
features include generalized seizures, migraine-like head-
ache, vomiting and dementia. MELAS is caused by a muta-

tion in the tRNA

Leu(UUR)

, causing a decreased in mitochon-

drial protein synthesis; iii) myoclonic epilepsy with ragged 
red fibers (MERRF) showing myopathy and myoclonus in 
association with generalized seizures. MERRF is caused by a 
mutation in tRNA

Lys

, causing a reduction in mitochondrial 

protein synthesis; iv) neuropathy, ataxia, retinitis pigmentosa 
(NARP) consisting in a multisystem disorder of young adults 
comprising neuropathy, ataxia, seizures, dementia and retini-
tis pigmentosa. NARP results from a mutation in ATPase 6, 
causing a defect in CV; v) maternally inherited Leigh syn-
drome (MILS), a more severe syndrome than NARP, mani-
fested in infancy with developmental delay, hypotonia, sei-
zures, pyramidal signs, ataxia, retinitis pigmentosa, and with 
the neurological features of LS. MILS is also caused by a 
mutation in ATPase 6, causing a defect in CV; vi) Leber 
hereditary optic neuropathy (LHON) which causes loss of 
vision in young adults, and it is due to mutations in ND1, 
ND4 and ND6; vii) Myopathy, multisystemic diseases or 
another phenotypes which can be caused by mutations in 
other tRNAs, ND1, ND4, cyt b or COXIII [47, 48]. In 
mtDNA-related mitochondrial encephalomyopathies, cells 
die because the lack of an adequate energy supply and the 
decrease in 

m

 that triggers PTP and apoptosis, although 

small proportions of non-mutant genomes seem to be suffi-
cient to protect tissue from defects of the ETC. In neurons, 
the incapacity to maintain adequate ATP levels would lead to 
a partial neuronal depolarization and excitotoxicity, and 
muscle cells seem to die mainly by apoptosis [47, 49]. 

Disorders Due to Defects of nDNA 

Defects of Genes Encoding Enzymatic/Structural Proteins 
and Assembly Factors  

 

Defects in CI and CII have been associated with muta-

tions in nDNA genes encoding subunits of these complexes. 
These mutations cause autosomal recessive forms of Leigh 
syndrome, a devastating encephalopathy with characteristi-
cally symmetric lesions of the basal ganglia and the brain-
stem. Other mendelian diseases due to mitochondrial respira-
tory chain defects include primary ubiquinone (CoQ

10

) defi-

ciency, an autosomal recesive syndrome with a clinical spec-
trum that encompasses five major phenotypes [50]. Although 
it was first described 30 years ago, the first molecular defects 
were identified only recently. Specifically, the first mutations 
in two genes encoding the first two CoQ

10

 biosynthetic en-

zymes (PDSS2 subunit of COQ1, and COQ2) were identified 
in infants or children with encephalomyopathy or Leigh syn-
drome and nephrotic syndrome [51, 52]. Later, mutations in 
PDSS1 and other in COQ2 were indentified in infants or 
children with encephalomyopathy and/or nephrotic syn-
drome [53, 54]. Recently, a mutation in COQ9, a CoQ

10

 bio-

synthetic gene with unknown function, was identified in a 
child with intractable seizures, global developmental delay, 
hypertrophic cardiomyopathy and renal tubular dysfunction. 
Nevertheless, the consequences of primary CoQ

10

 deficiency 

include a severe bioenergetic defect or a combination of mild 
bioenergetic defect and oxidative stress, which seems to be 
dependent of the CoQ

10

 levels [55]. Other syndromes have 

also been associated with a secondary CoQ

10

 deficiency. 

These include autosomal recessive cerebellar ataxia of un-
known etiology in children and caused by mutations in 
ADCK3 in adults [50, 56], the syndrome of ataxia and ocu-

Melatonin-mitochondria Interplay in Health and Disease 

Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol. 11, No. 2    225 

lomotor apraxia (AOA1) caused by mutations in the apra-
taxin gene (APTX) [57], and a predominantly myopathic 
form of glutaric aciduria type II (GAII) caused by mutations 
in the electron transfer flavoprotein dehydrogenase gene 
(ETFDH) [58]. The usual treatment of CoQ

10

 deficient pa-

tients is the oral supplementation with CoQ

10

. However, the 

cause of the lack of positive response in some patients re-
quires investigation [50, 52, 54, 59].  

  Mitochondria respiratory chain complexes need other 
factors for proper assembly and function. That is the case 
with SURF1, SCO2, SCO1, COX10, and COX15, which are 
required in the assembly of CIV. Mutations in some of the 
genes encoding these factors have been associated with 
COX-deficient Leigh syndrome or other multisystemic fatal 
infantile disorders, in which encephalopathy is accompanied 
by cardiomyopathy

 

(SCO2,  COX15), nephropathy (COX10), 

or hepatopathy (SCO1) [47]. Mutations in assembly factors 
of CIII and CV have been also identified [47].  

Disorders Due to Defects of Intergenomic Communication 

  In this group, the primary genetic modification is in 
nDNA genes (encoding proteins involved in replication, 
maintenance and translation of mtDNA) but the consequence 
of this mutation is a quantitative or qualitative abnormality 
of mtDNA. A quantitative mtDNA alteration is a partial or 
severe mtDNA depletion which frequently causes myopathy 
or hepatopathy, but the central nervous system and kidney 
may be also affected. Mutations in different genes have been 
identified as a cause of mtDNA depletion including POLG
SUCLA2 (encoding the  subunit of succinyl-CoA syn-
thetase),  MPV17 (encoding a protein with unkown function) 
and genes encoding enzymes involved in the mitochondrial 
nucleotide metabolism, DGUOKTK2 and RRM2B [47]. 

  mtDNA alterations are often represented by multiple 
mtDNA deletions, which are frequently manifested by PEO 
associated in some cases to exercise intolerance, hearing loss 
and psychosis. Mutations in ANT1,  PEO1 and POLG have 
been associated with PEO and multiple mtDNA deletions.  

 

A particular disease in this category is MNGIE (mito-

chondrial neurogastrointestinal encephalomyopathy) since a 
combination of mtDNA depletion, multiple mtDNA dele-
tions and point mutations are found in many organs of 
MNGIE patients [60, 61]. The primary cause of the disease 
is a mutation in TYMP gene [62], which encodes thymidine 
phosphorylase (TP), and enzyme that catalyzes the phos-
phorilysis of thymidine and deoxyuridine. A defect in the 
function of TP causes an accumulation of thymidine and 
deoxyuridine provoking an unbalance in the mitochondria 
deoxynucleotides pool, which in turns causes mtDNA altera-
tions [63]. Defects of mtDNA translation also cause com-
bined respiratory chain complex deficiencies and can be 
caused by mutations in several genes [47].  

Disorders Due to Defects of Mitochondrial Protein Impor-
tation  

 

Transporting proteins to mitochondria is accomplished 

through targeting signals localized at the N-terminus of 
polypeptides. Some alterations involving this disorder have 
been described, although considering the complexity of the 

multistep process involving protein import, it seems likely 
more defects will be uncovered [47].  

Disorders Due to Alterations in the Lipid Bilayer of the 
Inner Mitochondrial Membrane 

 

Cardiolipin is a phosphatidylglycerol enriched molecule 

in mitochondrial inner membrane, where it is intimately 
associated to ETC. Mutations in the tafazzin gene (TAZ
causes Barth syndrome, which is associated to alterations in 
the composition and concentration of cardiolipin, leading to 
an abnormal mitochondrial architecture and function [47].  

Disorders Due to Abnormalities in Mitochondrial Dynam-
ics 

 

Mitochondria are dynamic organelles and form tubular 

networks that may favor the delivery of organelles to areas 
of high energy demands. Then, defects in proteins responsi-
ble of mitochondrial motility-fusion-fission cause another 
group of mitochondrial disorders. At least mutations in 13 
different genes, i.e. OPA1,  MFN2 and GDAP1, have been 
associated to defects in mitochondrial dynamics.  

Neurodegenerative Pathologies 

 

Neurodegenerative diseases of different ethiologies may 

share mitochondrial dysfunction as a final common pathway. 
Recent studies using cybrid cell lines certainly support this 
posibility. Parkinson’s disease (PD) is characterized by 
bradykinesia, rigidity and tremor. Mitochondrial involve-
ment in PD is suggested by deficiencies of C-I in substantia 
nigra [64], with a parallel reduction in GSH levels, suggest-
ing the existence of oxidative stress. In platelets of PD pa-
tients C-I is also decreased, and in some cases is accompa-
nied by C-II, C-III and C-IV deficiencies. Studies with cy-
brids have shown that alterations in C-I is due to a defect in 
the mtDNA [64]. This defect is accompanied by an alteration 
in the expression of C-IV activity and a reduced 

m

, which 

lowers the apoptotic threshold. Mitochondrial involvement in 
the pathology of PD has been genetically supported by the 
finding of POLG mutations in early-onset Parkinsonism in 
different families [65, 66]. In some cases, the POLG muta-
tions were accompanied by mtDNA deletions, ragged-red 
and cytochrome c oxidase-negative fibers and low activities 
of mitochondrial complexes containing mitochondrial DNA-
encoded subunits [65, 66]. On the contrary, a recent review 
of the evidence for primary mtDNA mutations in PD led to 
the conclusion that there is no convincing proof for a pri-
mary role of mtDNA mutations in this neurodegenerative 
disorder [67]. However, a series of nuclear genes (PARK1, 
PARK2,…PARK8) are recognized to be associated with the 
familial form of PD. In addition to the genetic origin, evi-
dence has accumulated that an interaction of environmental 
toxins with the products of these genes may create oxidative 
damage and mitochondrial dysfunction leading to cell death 
[68]. These environmental toxins influence PD, as shown by 
the C-I inhibitory effects of MPTP, rotenone and paraquat. 
The C-I inhibition is prevented by free radical scavengers 
indicating oxidative damage to C-I. Moreover, MPTP also 
stimulates NMDA-dependent nNOS activity thereby increas-
ing NO• production [69], and decreasing the content of 
mtDNA [70].  

226    Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol11No2 

Castroviejo et al. 

 

Huntington’s disease (HD) is a neurodegenerative disor-

der characterized by ataxia, chorea and dementia. It is known 
to be caused by an alteration in a gene for nDNA encoding 
huntingtin, a widely expressed protein of unknown function 
but associated with inappropriate apoptosis. The pathology 
of HD involves mainly the GABA-containing neurons of the 
caudate nucleus [64]. There is a mtDNA deletion 
(mtDNA4977) in HD patients which is especially common 
in the frontal and temporal lobes of the cerebral cortex, al-
though its significance is unclear [71]. Excitotoxicity has 
been suggested to play an important role in this disease. This 
includes activation of NMDA-dependent neuronal nitric ox-
ide synthase (nNOS) and NO• production. NO• and particu-
larly peroxynitrite (ONOO) mediate the oxidative damage. 
There are also deficiencies in the activity of C-II, C-III and 
C-IV in caudate and in a lesser extend in putamen in HD. 
Aconitase, an iron-sulphur-containing enzyme is particularly 
susceptible to inhibition by O

2

• and NO•/ONOO, as are C-

II and C-III, which are FeS-containing enzymes [64, 72]. 
The subsequent oxidative damage to proteins, lipids and 
mtDNA reduces s

m

 and induces apoptosis.  

 

Hereditary spastic paraparesis (HSP) is another heredi-

tary disease involving a nDNA mutation. It may be present 
in children or adults. A new gene defect has been recently 
described encoding paraplegin which contains an N-terminus 
sequence and is imported into mitochondria. Muscle biopsies 
show mitochondrial alterations including cytochrome oxi-
dase negative fibers.  

 

Wilson’s disease, usually present in children and adoles-

cence, is accompanied by liver failure with movement disor-
ders (dystonia, parkinsonism), and is caused by a mutation in 
the gene encoding a mitochondrial P-type ATPase, leading to 
copper accumulation and ROS generation [64, 72].  

 

Friedreich’s ataxia (FA) is an adolescent autosomal dis-

ease with progressive ataxia, dysarthria, skeletal deforma-
tions, hyporeflexia, pyramidal features and cardiomyopathy. 
Pathology includes distal axonopathy affecting the large sen-
sory axons of the dorsal root ganglia and the spinocerebellar 
and pyramidal tracts in the cord with loss of neuronal peri-
karya. The genetic defect results in a deficiency of frataxin 
protein, the function of which is not known. Since it has an 
N-terminus sequence and is associated with mitochondrial 
membranes, a role in mitochondrial physiology was pro-
posed. There are several deficiencies of complexes I-III and 
in the Krebs cycle enzyme aconitase. There is a parallel in-
crease in the mitochondrial iron levels and, via the Fenton 
reaction, oxidative damage to mtDNA may also occur [64, 
72].  

 

Alzheimer’s disease (AD), is associated with a decrease 

mRNA expression of mtDNA encoding cytochrome oxidase 
(COX) subunit II, although it has been proposed that other 
nDNA-encoded COX subunits may be also altered [73]. A 
recent review found  little evidence in support a role of 
mtDNA mutations in the development of AD (Howell, 
2005). Also, -amyloid peptide generates ROS in a metal-
catalyzed reaction inducing neuronal cell death in a ROS-
mediated process resulting in damage to neuronal membrane 
lipids, proteins and nucleic acids. This suggests that the use 
of antioxidants such as vitamin E, melatonin or estrogens 
may be beneficial in AD [72, 74].  

 

Epilepsy may involve mitochondrial dysfunction which 

may contribute to neuronal damage during seizures, as in the 
case of myoclonic epilepsy and generalized tonic-clonic sei-
zures. The OXPHOS defects, reduced ATP production, free 
radical generation and altered Ca

2+

 handling may all contrib-

ute to neuronal damage and epileptogenesis [72]. 

Mitochondria and Aging 

 

Two schemes have been proposed as genetic models of 

aging. One is that aging is a genetically programmed event. 
Specific aging genes, functioning as hierarchical clocks, 
might exist to cause aging and death of the individual. The 
alternative, but not a mutually exclusive view, is that envi-
ronmental insults and/or endogenous ROS and reactive ni-
trogen species (RNS) may cause genetic damage and muta-
tions [75]. The proposal that free radicals, produced by nor-
mal aerobic metabolism, cause, at subcellular locations, ran-
dom tissue damage that impairs cellular function and prolif-
erative capacity was proposed as a cause of aging by Harman 
in 1956 [76]. Aging is then the result of the failure of various 
defense and repair mechanisms which normally counteract 
the radical-induced damage [75]. However, no single cause 
for aging should be considered as being exclusively respon-
sible. Rather normal aging is probably the sum of multiple 
genetic and environmental factors. 

 

The mitochondrial theory of aging states that the persis-

tent accumulation of impaired mitochondria is the driving 
force of the aging process [77-79]. This theory is continu-
ously gaining new experimental support. The existence of 
age-related mtDNA deletions and their relation to oxidative 
stress further support this hypothesis. The mtDNA inherited 
variability could play a role in successful aging and longev-
ity in humans [80], whereas continuous damage to mtDNA 
leads to a bioenergetic crisis. It has been demonstrated that 
the levels of mitochondrial transcripts in Drosophila during 
aging are significantly reduced, which means that the ability 
of mtDNA to perform transcriptional activity decreases [81]. 
However, an increase in mtDNA damage in response to oxi-
dative stress in human cells has been reported [82]. Experi-
mental accumulations of mtDNA deletions and point muta-
tions have been observed in several species including mice 
and humans, and are correlated with a significantly reduced 
life span [83, 84]. Moreover, POLG deficient mice accumu-
late high levels of mtDNA mutations resulting in a premature 
aging phenotype [85, 86]. Additionally, some genes encoded 
by nDNA involved in aging have been identified [75]. 

 

There is increasing consensus that ROS and RNS are a 

major cause of aging [87]. Aging is accompanied by struc-
tural changes in mitochondria including their reduction in 
number and increase in size, and a decrease in C-IV and C-V 
activities. Senescence-accelerated mice (SAMP8) show a 
reduction in mitochondrial respiratory chain activities result-
ing in a loss of ATP levels [88, 89]. This mitochondrial mal-
function seems to be a consequence of the mitochondrial 
oxidative damage accumulated during aging [88, 89], as well 
as the existence of an inflammatory process during aging 
with the subsequent production of RNS [90]. These changes 
may impair energy-dependent neurotransmission, contribut-
ing to senescence-related decline in memory and other brain 
functions that are apparent in this mouse [91, 92]. The muta-

Melatonin-mitochondria Interplay in Health and Disease 

Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol. 11, No. 2    227 

tion rate of mtDNA is much higher than that of nDNA be-
cause expression of the entire genome is essential for the 
maintenance of mitochondrial bioenergetic function, while 
only about 7% of the nuclear genome is expresses during cell 
differentiation [92]. Moreover, three factors make mtDNA 
particularly vulnerable to ROS/RNS: the mtDNA is located 
close to the inner membrane, just near from the generation of 
both ROS and RNS; mtDNA is not extensively condensed 
and protected by histones; and the mtDNA repair is limited 
[93].  

 

Oxidative injury is not limited to mtDNA but also to mi-

tochondrial membranes. This may lead to a progressive lipid 
peroxidation (LPO) and cross linking damage, with con-
comitant changes in the respiration rate, ATP synthesis, 
membrane fluidity and permeability, Ca

2+

 homeostasis and 

apoptosis. The free radical theory of aging provides a ration-
ale for intervention by means of antioxidant administration 
[94, 95]. In fact, mitochondrial aging may be due to chronic 
oxidative stress, and the O

2

• generated by mitochondria 

leads to the formation of other ROS/RNS [88-90, 96, 97]. 
Collectively, oxidants reduce GSH availability thereby pro-
ducing oxidative damage to mtDNA, lipids and proteins, 
which is manifested as mitochondrial aging and, in turn, cell 
and organism aging [88]. 

Mitochondria Repair Mechanisms 

 

The increase in mitochondrial mass and mtDNA content 

are early molecular events in human cells in response to oxi-
dative stress [82]. Most of the oxygen taken up by human 
cells is reduced to water via the action of mitochondrial C-IV 
by the addition of 4 electrons to each O

2

 molecule. The in-

termediate steps of oxygen reduction are the formation of 
O

2

•, H

2

O

2

 and hydroxyl radical (HO•), corresponding to a 

reduction by one, two and three electrons, respectively. Ad-
ditionally, NO• and its metabolite ONOO are other RNS 
produced in the mitochondria. Mitochondrial DNA is not 
protected by histones and lies in close proximity to the free 
radical-producing ETC. Mutations in mtDNA or nDNA 
genes encoding mitochondrial proteins and/or changes in 
ROS production may induce mitochondrial damage which, 
as noted above, is the basis for aging and several diseases 
including neurodegenerative diseases and mitochon-
driopathies.  

 

A large number of DNA base modifications caused by 

oxidative stress have been detected. One of the most widely 
studied is 8-hydroxydeoxyguanosine (8-oxo-dG). This 
mutagenic lesion also accumulates with age. Mitochondria 
defend against oxidative stress using two main mechanisms: 
eliminating ROS (antioxidants and scavengers) and repairing 
the damaged molecules. The former include SOD which 
actively dismutates O

2

• to H

2

O

2

; the latter agent is then 

transformed to water by glutathione peroxidase (GPx). In 
this process, GSH is oxidized to GSSG and the enzyme GRd 
restores GSH levels. The glutathione recycling system is 
highly active in mitochondria; these organelles do not syn-
thesize GSH and are devoid of another antioxidative enzyme, 
catalase. Thus, mitochondria mainly depend on their own 
GSH pool, although they can also import GSH from the cy-
tosol [98]. Thus, under physiological conditions, equilibrium 
between the mechanisms generating and those scavenging 

superoxide and other ROS should be in equilibrium. In the 
case of mitochondrial respiratory chain deficiencies, how-
ever, an overexpression of antioxidative enzymes occurs 
[98]. 

 

Endogenous metabolic processes generate ROS yielding 

oxidized bases that are removed from the DNA mainly by 
the base excision repair (BER) pathway. Adducts due to UV 
exposure are removed by a nucleotide excision repair (NER) 
pathway [99]. Mitochondria are able to carry out BER. The 
first repair enzyme detected was uracil DNA glycosylase. 
Homologs to the yeast repair enzymes, OGG1, which excises 
8-oxo-dG from DNA, have been found in mouse and human 
mitochondria. The formamidopyridine DNA glycosylase, an 
enzyme that detects 8-oxo-dG, has been reported in rat he-
patic mitochondria. Removal of 4-nitroquinoline lesions 
from mtDNA, which is normally accomplished by NER 
pathways, has been proposal. However, NER as it exists in 
the nucleus, does not exist in mitochondria, and thus, the role 
of NER protein in mitochondrial repair remains unclear [99]. 
It has been reported that the endonucleolytic activity of the 
enzyme that specifically cleaves 8-oxo-dG oligonucleotides 
is higher in 12 and 23-months old than in 6-months old rats. 
Thus, the mitochondrial capacity to repair 8-oxo-dG seems 
to increase with age [99].  

Mitochondria and Stem Cells 

 

There are three types of stem cells: the pluripotent em-

bryonic stem cells (ESC) that have the potential to differenti-
ate into any cell type in the organism; the multipotent cells 
derived from adult tissue including umbilical cord blood and 
amniotic fluid, which can differentiate into a limited number 
of cells types of their own lineage, e.g., mesoderm only, and 
precursor cells, which are adult stem cells committed to dif-
ferentiation. While most stem cell studies have focused on 
the activity of the nuclear genome, characteristics of the mi-
tochondrial genome have been largely ignored. 

 

Some authors have hypothesized that stem cell compe-

tence may be verified using functional mitochondrial charac-
teristics [100]. Differentiation of mouse and human ESC 
results in changes in mitochondrial structure, morphology 
and pattern of cytoplasmic localization. Mitochondria in 
stem cells tend to localize perinuclearly [100]. Moreover, 
ESC have relatively few mitochondria with poorly developed 
cristae [101, 102], and restricted oxidative capacity. As cells 
are allowed to differentiate, the number of mtDNA copies 
increase and these differentiated cells contain increased 
numbers of mitochondria with distinct cristae, dense matri-
ces and high membrane potentials. These features suggest 
the initiation of metabolic activity through OXPHOS [103]. 
Because ESC display low oxygen consumption and thus, 
poor OXPHOS, an elevation in ATP content per cell may 
therefore reflect a loss of stemness and the subsequent onset 
of differentiation [100, 102]. Therefore, preservation of im-
mature mitochondria with a perinuclear arrangement, re-
duced expression of OXPHOS enzymes and low metabolic 
activity in ESC has led to the suggestion that these mito-
chondrial properties might be important for the maintenance 
of pluripotency and should be considered as another ESC 
marker. Departures from this profile indicate that cells are 
differentiating or perhaps becoming senescent. 

228    Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol11No2 

Castroviejo et al. 

 

The increase in mitochondrial mass is accompanied by 

elevated ATP production and, thus, by a greater generation 
of ROS. Undoubtedly, the intracellular levels of ROS are 
higher in differentiated than in undifferentiated ESC, due to 
the increase in OXPHOS metabolism in the former [104]. An 
increase in ROS levels might have a role in cell signaling 
and regulation of proliferation and differentiation. Exposure 
to low levels of ROS has been reported to enhance ESC dif-
ferentiation whereas continuous exposure to high levels of 
ROS results in inhibition of differentiation [104]. Therefore, 
differentiating cells probably activate effective antioxidant 
systems, including catalase, GPx and others. In summary, 
successful differentiation of embryonic cells in vivo or ESC 
in vitro involves initiation of mtDNA transcription and repli-
cation, an increase in the number of mitochondria, and regu-
lation of the enzymes required for aerobic metabolism in 
order to fulfill the elevated ATP requirements of fully differ-
entiated cells.  

 

ESC from embryos created by in vitro fertilization pro-

cedures have been reported to exhibit various forms of 
mtDNA mutations, and it is not known whether metabolic 
functions of ESC are affected by mtDNA mutation or mito-
chondrial deletions [105]. Considering that mutations in 
mtDNA have been linked to a wide range of disorders in-
cluding diabetes, cardiovascular disease, neurodegenerative 
and neuromuscular diseases, and cancer [106, 107], thera-
peutic defective cell replacement could lead to the develop-
ment of these diseases. Thus, mtDNA anomalies could have 
widespread implications for biomedical applications of stem 
cells as well as for studies on their behavior in vitro [100]. 

Melatonin and Mitochondrial Pathology 

 

In the last 25 years, an increasing amount of evidence 

supports new roles and mechanisms of action of melatonin. 
The actions of melatonin depend on receptor- and non-
receptor-mediated processes, the latter accounting for the 
antioxidant properties of melatonin [108]. Receptor-
mediated events for melatonin involve both membrane and 
nuclear receptors [109-112], and the existence of a mem-
brane-nuclear signaling pathway has been proposed [113]. 
Some of the protective effects of melatonin on the cell seem 
to be mediated by genomic regulation, and some genes, in-
cluding 5-lipoxygenase gene in human B lymphocyte, re-
portedly regulated by melatonin [114]. In addition, the ex-
pression of some genes, mainly related to the cell redox state 
and inflammatory status including GPx, GRd, SOD, induc-
ible nitric oxide synthase (iNOS) and cytokines are also un-
der genomic regulation by melatonin [115-119]. In addition, 
the specific binding of melatonin to Ca

2+

-calmodulin (Ca-

CaM) appears to regulate some CaCaM-dependent enzymes 
such as nNOS [120-122]. The discovery of the mitochon-
drion being a target for melatonin action opens new perspec-
tives to understand the mechanism of action of melatonin, 
and may help to explain the antiapoptotic and thermogenic 
effects of the indoleamine [123-126]. 

 

In a number of experimental and clinical situations a 

beneficial effect of melatonin has been reported in those pa-
thologies involving mitochondria dysfunction especially in 
the cases of secondary cause of the disease, including ROS-
induced DNA damage, excitotoxicity and neurodegenerative 

diseases such as PD, AD and epilepsy, sepsis and aging [89, 
127-133]. Melatonin´s ability to counteract excitotoxicity 
and ROS-induced DNA damage has been described under a 
variety of different experimental paradigms. Melatonin pre-
vents DNA damage in human blood cells exposed to ionizing 
radiation, and reduces genetic damage to lymphocytes which 
were exposed to ionizing radiation after their removal from 
the individual who consumed melatonin [134]. Oxidation of 
guanine bases in DNA from rat liver induced by whole body 
ionizing radiation was prevented by melatonin administra-
tion [135]. Furthermore, the DNA damage caused by the 
chemical carcinogen safrole or by chromium is reduced by 
melatonin [136, 137]. Using the comet assay, it was shown 
that treatment with melatonin reduced neural DNA fragmen-
tation by exposure of rats to extremely low frequency mag-
netic fields [138]. Melatonin counteracts paraquat-induced 
genotoxicity in mice [139], as well as ferric nitrilotriacetate-
induced DNA damage and H

2

O

2

-induced DNA damage in 

U-937 cells [140, 141]. The protective effects of melatonin 
against DNA damage was estimated by measuring the 8-oxo-
dG levels in the brain of kainic acid-treated rats [142].  

 

When DNA repair mechanisms are induced, the activa-

tion of the nuclear enzyme PARS triggers an energy-
consuming repair cycle reducing cellular NAD

+

 levels. This 

also occurs in rats treated with zymosan, a non-bacterial 
agent which causes cellular injury by inducing the produc-
tion of ONOO and consequent PARS activation. In this 
situation, there is also an inhibition of mitochondrial respira-
tion due to ONOO. The administration of melatonin pro-
tects cellular energy depletion and prevents the occurrence of 
DNA damage [143]. Renal and hepatic DNA damage in-
duced by the carcinogen -aminolevulinic acid was assessed 
by measuring the levels of 8-oxo-dG, which were reduced by 
melatonin [144, 145]. Rat lung and spleen production of 8-
oxo-dG induced by -aminolevulinic acid are also lowered 
by melatonin [146]. 

 

Particularly interesting findings were described when the 

effect of melatonin on mitochondrial membrane fluidity was 
tested. Mitochondrial membrane fluidity decreased after the 
animals were treated with -aminolevulinic acid with these 
changes being reversed by melatonin co-treatment [144]. 
However, no changes in mitochondrial membrane lipid per-
oxidation (LPO) levels were reported and thus, the effects of 
melatonin on mitochondrial membrane fluidity may be inde-
pendent of its ability to counteract lipid damage [144, 145]. 
The effects of melatonin in maintaining optimal membrane 
fluidity in mitochondrial membranes may depend on its abil-
ity to localize in the membrane itself, in a superficial position 
in lipid bilayers near the polar heads of membrane phosphol-
ipids [147]. In this position melatonin would be near of the 
mitochondrial proteins which then would be protected from 
ROS. It should be note that -aminolevulinic acid damage to 
mitochondria results in the disruption of the 

m

 and en-

hanced membrane permeability [146, 148] leading to reduc-
tion in ATP, PTP opening and apoptosis. Thus, melatonin 
may protect protein complexes in the inner mitochondrial 
membrane and thereby improve ETC. 

 

A series of experiments have provided strong evidence 

for the anti-excitotoxic properties of melatonin both in vivo 
and  in vitro. Anti-convulsant activity of melatonin was ini-

Melatonin-mitochondria Interplay in Health and Disease 

Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol. 11, No. 2    229 

tially showed to be related to its effects on both brain 
GABA-benzodiazepine receptor complex and Na

+

, K

+

-

ATPase [149-153]. However, due to the inhibitory effect of 
melatonin on the NOS/NO system, and effect of the in-
doleamine on glutamate-induced excitotoxicity was soon 
proposed. A melatonin deficiency is associated with in-
creased brain damage after stroke or excitotoxic seizures in 
rats [154], and an anticonvulsant activity of melatonin 
against seizures induced by a series of drugs in mice was 
reported [155]. Melatonin protects cultured cerebellar neu-
rons from kainate excitotoxicity [156]. Quinolinic acid, a 
neuroactive metabolite of tryptophan implicated in some 
neurodegenerative diseases [157], induces neuronal degen-
eration when injected into animals, an effect counteracted by 
melatonin administration [158].  

 

Electrophysiological experiments document the antago-

nism of melatonin at the level of the NMDA receptor which 
is involved in excitotoxicity [159-162]. The effect of mela-
tonin was specific, dose-dependent and was independent of 
melatonin receptors. Thus, an intracellular action of mela-
tonin in inhibiting the NMDA-dependent excitotoxic events 
was further demonstrated with synthetic kynurenamines sup-
porting an inhibition of the NOS/NO• system, the main me-
diator of glutamate-dependent excitotoxicity [121, 163, 164]. 
The effects of melatonin against brain excitotoxicity were 
the basis for the clinical use of melatonin in infantile seizures 
[165, 166]. Melatonin also protects against excitotoxicity by 
reducing the autoxidation of dopamine (DA) which occurs in 
some degenerative diseases as PD [167]. These effects were 
demonstrated in 1-methyl-4-phenyl-1,2,5,6-tetrahydro-
pyridine (MPTP)-induced PD in mice [168, 169]. The ability 
of melatonin to reduce DA autoxidation was tested else-
where and it showed a greater potency than other antioxi-
dants including vitamin E and C, and that of L-deprenyl, a 
monoamine oxidase (MAO) B inhibitor which also has anti-
oxidant properties [167]. The protective effects of melatonin 
in mouse models of PD include specific actions of the in-
doleamine on the mitochondria from s. nigra and striatum. 
Melatonin administration normalized complex I activity and 
oxidative status in mitochondria from these nuclei. Looking 
for the targets of melatonin action, it was recently shown that 
melatonin reduced the activity of the mitochondrial iNOS (i-
mtNOS), thus decreasing mitochondrial NO

.

 levels, prevent-

ing the respiratory inhibition produced by NO• at the level of 
complex IV [170]. 

 

The neuroprotective effects of melatonin were also tested 

against neurodegenerative manifestations in AD [171]. When 
neuroblastoma cells were incubated with -amyloid (

A), 

more than 80% of the neurons died due to apoptosis, but the 
presence of melatonin reduced cellular death and DNA dam-
age in a dose-related manner [172]. In human platelets, mela-
tonin also protected against A-induced damage [173, 174]. 
The protective properties of melatonin were extensively 
tested in models of aging, which involves pervasive cell 
damage. In different models of aging and age-related dis-
eases including cancer and cataracts, melatonin administra-
tion has been shown to be protective. The fact that melatonin 
decreases with age was then suggest as one of the causes of 
aging in mammals [128, 175-181]. 

 

The benefit effects of melatonin on mitochondrial func-

tion have also been tested in sepsis, an acute inflammatory 
process. In sepsis models induced by LPS in rats or by cecal 
ligation and puncture (CLP) in mice, melatonin reduces the 
overexpression of iNOS/i-mtNOS, decreases mitochondria 
ROS/RNS production, induces the activity of the GSH cycle, 
increases mitochondria respiratory chain activities, restores 
ATP synthesis and increases animal survival [133, 182-184]. 
Melatonin improves the clinical outcome of septic newborns 
[185]. 

 

The importance of melatonin as antioxidant depends on 

several characteristics: it is both lipophilic and hydrophilic, 
and it passes all bio-barriers with ease. It is available to all 
tissues and cells, where it scavenges free radicals [186-188]. 
Melatonin distributes in all subcellular compartments, being 
especially high in the nucleus and mitochondria. This means 
that melatonin is available at the sites in which free radicals 
are being maximally generated, thus decreasing the potential 
damage [189, 190]. Melatonin, identified by Lerner as a 
product of the mammal pineal gland [144], is also found in 
several tissues including the retina, cells of the immune sys-
tem, gut, bone marrow, skin and its appendages and in the 
human ovary and testes [191-199]. It seems that these tissues 
may produce the melatonin required for antioxidant regula-
tion [200] since this melatonin does not enter the circulation. 
Also, most of these tissues have much higher levels of mela-
tonin than concentrations in blood. Levels of melatonin 2-3 
orders of magnitude higher than maximal blood melatonin 
concentration are present in bile [201]. Another fluid that 
contains very high levels of melatonin is the cerebrospinal 
fluid (CSF) [202].  

 

It was reported that expression of genes of the key en-

zymes for melatonin synthesis, N-acetyl-transferase (NAT) 
and hydroxyindol-O-methyl-transferase (HIOMT), are found 
in many the organs [203]. Thus, these organs may synthe-
tized their own melatonin and do not depend totally that de-
livered by circulation to provide this indolamine. This sug-
gests that each organ may in part produce the melatonin that 
it needs independently of its circulating levels. Thus, the 
concept of what constitutes a physiological level of mela-
tonin is changing, and physiological levels must be defined 
based on specific fluid and subcellular organelles [204]. 

Melatonin and Apoptosis 

 

The observation that melatonin influences apoptotic cell 

death is a documented regulatory effect of melatonin on cell 
survival. The possibility that the antioxidant properties of 
melatonin account its inhibitory effect on apoptosis was in-
vestigated in vivo and in vitro by measuring DNA fragmenta-
tion. These experiments showed that melatonin administra-
tion counteracts apoptosis in rat thymus. In cultured thymo-
cytes, 1 nM of melatonin decreases cell death by 20% [205]. 
It was suggest that melatonin down-regulate the glucocorti-
coid receptor in thymocytes, which may explain its antiapop-
totic effect in the thymus [206]. In primary cultures of cere-
bellar granule neurons, melatonin protects them from singlet 
oxygen-induced apoptosis [207]. Melatonin also inhibited 
pre-B-cell apoptosis during lymphopoiesis in mouse bone 
marrow; this has implications for neoplasia since boosting 
the formed B cells would have effects on humoral immunity 

230    Current Topics in Medicinal Chemistry, 2011, Vol11No2 

Castroviejo et al. 

[208]. Melatonin was also shown to protect bovine cerebral 
endothelial cells from hyperoxia-induced DNA damage and 
apoptotic death [209].  

 

Since apoptosis is a possible mechanism involved in neu-

ronal death documented in several neurodegenerative dis-
eases including PD, AD and epilepsy, it would be expected 
that melatonin may exert antiapoptotic effects in these dis-
eases. In fact, in neuroblastoma cells exposed to the Alz-
heimer  -amyloid peptide, melatonin prevented cell death 
[172]. Melatonin also prevents apoptosis induced by MPTP 
in mouse [169] and by 6-hydroxydopamine in PC12 cells 
[210]; these findings could be of potential clinical impor-
tance in the treatment of PD. Melatonin also abrogated cell 
death induced by cysteamine pretreatment of the PC12 cells; 
cystamine treatment involves mitochondrial iron sequestra-
tion [211]. The age-associated accumulation of redox-active 
iron in subcortical astrocytes may facilitate the bioactivation 
of DA to neurotoxic free radical intermediates and thereby 
predispose the nervous system to PD and other neurodegen-
erative diseases. Melatonin counteracts very efficiently DA 
autoxidation by reducing iron-dependent ROS production by 
mitochondria [167]. In rats injected with kainic acid to pro-
duce excitotoxicity-induced apoptotic cell death, melatonin 
significantly attenuated apoptosis, an effect linked to the 
reduction in oxidative damage and an increased GSH content 
[212]. In a spontaneous, age-induced model of apoptosis 
using cerebellar granule cells, it was shown that melatonin 
and Ca

2+

-channel blockers such as amlodipine, inhibited 

spontaneous apoptosis [213]. This antagonism between 
melatonin and Ca

2+

-channels was also demonstrated in elec-

trophysiological and binding experiments [162]. Striatal neu-
rons growing in low density culture in serum-free medium 
and in the absence of glia die within 3 days by apoptosis. 
The presence of melatonin rescues striatal neurons from im-
pending cell death, which may have important consequences 
in neurodegenerative diseases involving nigrostriatal path-
way as in PD [214].  

 

The relation of melatonin with cell death was tested in 

several cell cancer models. In an ovarian carcinoma cell line 
it was found that melatonin exerts an oncostatic action linked 
to a nuclear effect of the indoleamine, since the melatonin 
nuclear receptor agonist CGP 52608 caused a similar effect 
[215]. Interestingly, melatonin seems to enhance apoptosis in 
carcinoma cells, as has been demonstrated with Ehrlich as-
cites carcinoma cells. In this case, changes in GSH were not 
detected during the proapoptotic effects of melatonin [216]. 
Similarly, in colon mucosa and colon tumors induced by 1,2-
dimethylhydrazine in rats, melatonin behaves as a potent 
stimulator of apoptosis [217]. It was recently shown that 
melatonin also inhibited the LOOH-triggers cell death, in a 
similar manner to that of CsA, an inhibitor of the permeabil-
ity transition pore [218]. An intriguing result was found with 
U-937 cells. While melatonin counteracted the H

2

O

2

-induced 

DNA damage in U-937 cells [141], other authors were un-
able to confirm the antiapoptotic role of melatonin against 7-
ketocholesterol-induced apoptosis in the same cell type, al-
though melatonin prevented O

2

• generation by mitochon-

dria [219]. In general, it seems that the antioxidant and to 
some extend the GSH-enhancing effects of melatonin may 
account for melatonin´s antiapoptotic activity in non-
cancerous cells. 

Melatonin Actions on Mitochondria 

 

Three main considerations suggest a role for melatonin in 

mitochondrial homeostasis. First, the mitochondrion is the 
organelle with the highest ROS/RNS production into the 
cell, and melatonin is a powerful scavenger of ROS and 
RNS. Second, mitochondria depend on the GSH uptake from 
cytosol, although they have GPx and GRd to maintain the 
GSH redox cycling; melatonin improves the GSH redox cy-
cling and increases GSH content by stimulating its synthesis 
in the cytosol. Third, melatonin exerts important antiapop-
totic effects (Fig. 1) in normal cells and most of the apoptotic 
signals originate from the mitochondria [125]. 

 

The relationships between melatonin and mitochondria 

have been known for several years, but to date the existence 
of a specific role of the indoleamine on mitochondrial ho-
meostasis remain enigmatic. Following the lines of evidence 
that an aerobic organism entered into an anaerobic one, the 
subsequent symbiosis had beneficial consequences for the 
two organisms [220]. However, the anaerobic one had an 
unexpected problem, i.e., oxygen is highly toxic and oxidizes 
many molecules of the host. The hybrid organisms had to 
acquire new antioxidant mechanisms not only to preserve 
themselves from oxygen toxicity but also to preserve the 
enzymatic machinery required to produce ATP highly effi-
ciently. Additionally when ROS produced by the guest were 
excessive, the host organism evolved a trigger to initiate mi-
toptotic signals to eliminate the damaging symbiotic organ-
elle [3]. Since melatonin was present in the invading unicel-
lular organisms [221], the question arises as to what was the 
function of melatonin in the mitochondria of multicellular 
organisms?  

 

Chronic melatonin administration increases the number 

and size of mitochondria in the pineal and in ependymal epi-
thelium of the choroid plexus [222, 223]. Binding experi-
ments with 

125

Iodomelatonin also revealed a high percentage 

of specific binding sites in the mitochondrial fraction of the 
pigeon brain and in the spleen of guinea pigs [224, 225]. In 
the hamster hypothalamus, higher binding of 

125

Iodome-

latonin was recorded in the mitochondrial pellet than in the 
nuclear pellet [226]. Soon thereafter, it was shown that mela-
tonin influenced of on mitochondrial activity throughout the 
circannual cycle [227]. Milczarek [228] showed that mela-
tonin inhibit NADPH-dependent lipid peroxidation in human 
placental mitochondria. Melatonin protects fetal rat brain 
against oxidative mitochondrial damage [229]. Finally, a 
protective effect for melatonin against the MPP+-induced 
inhibition of C-I of ETC was also shown [230].  

 

The ability of melatonin to influence mitochondrial ho-

meostasis was initially tested in vivo. In this study it was 
shown that melatonin to normal rats significantly increased 
the activity of the complex C-I and C-IV of the mitochon-
drial ETC measured in mitochondria obtained from brain and 
liver, whereas C-II and C-III were unaffected [231]. Mela-
tonin also counteracted ruthenium red-induced inhibition of 
the C-I and C-IV in brain and liver mitochondria when mela-
tonin was given simultaneously with ruthenium red [231].  

  To further test the antioxidant ability of melatonin 
against mitochondrial oxidative stress, in vitro experiments 
using isolated mitochondria prepared from rat brain and liver