Los mecanismos de acción de la melatonina son muy variados. Pocas moléculas han desarrollado tantos mecanismos en el curso de la evolución. Hay abundantes datos experimentales de los cuatro que se muestran en el diagrama. La melatonina puede unirse a receptores de la membrana plasmática. Sin embrago, su carácter lipofilíco le permite entrar fácilmente en la célula e, incluso llegar hasta el núcleo. Se han descrito receptores nucleares y proteínas citoplasmáticas que se unen a la melatonina, como es el caso de la calmodulina. Por último, dentro de las propiedades antioxidantes de la melatonina se ha descrito la capacidad que tienen de atrapar o neutralizar radicales hidroxilos. Estos radicales participan en la fisiopatogía de enfermedades degenerativas que aparezcan durante el envejecimiento. (GPCR, receptores acoplados a proteína G; CaM, calmodulina; PKC, proteína quinasa C; RZR/ROR, subfamilia de receptores retinoicos).
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