Melatoniini on metoksiindoli, jota syntetisoidaan ja eritetään pääasiassa käpyrauhasesta yöllä normaaleissa valo-/pimeäolosuhteissa. Erittymisen endogeeninen rytmi syntyy suprachiasmaattisissa ytimissä ja on sidottu valo-/pimeäsykliin. Valo pystyy joko tukahduttamaan tai synkronoimaan melatoniinin tuotannon valoaikataulun mukaan. Tämän hormonin nykyrytmiä voidaan arvioida mittaamalla toistuvasti plasman tai syljen melatoniinia tai virtsan sulfatoksimelatoniinia, joka on tärkein maksan metaboliitti. Melatoniinin, jonka eritys mukautuu yön pituuden mukaan, ensisijainen fysiologinen tehtävä on välittää tietoa valon ja pimeyden vuorokausirytmistä kehon rakenteille. Tätä tietoa käytetään sellaisten toimintojen järjestämiseen, jotka reagoivat valojakson muutoksiin, kuten kausirytmiin. Melatoniiniviestin mahdolliseen muuttumiseen liittyvästä ihmisen fysiologisten toimintojen kausirytmisyydestä on kuitenkin vain vähän näyttöä lauhkeilla alueilla kenttäolosuhteissa. Myös päivittäistä melatoniinin eritystä, joka on erittäin vahva biokemiallinen signaali yöstä, voidaan käyttää vuorokausirytmien järjestämiseen. Vaikka tämän hormonin toiminnot ihmisillä perustuvat pääasiassa kliinisten havaintojen ja melatoniinin erityksen välisiin korrelaatioihin, on jonkin verran näyttöä siitä, että melatoniini vakauttaa ja vahvistaa vuorokausirytmien, erityisesti sisälämpötilan ja uni-valverytmin, kytkeytymistä. Myös muiden fysiologisten toimintojen sirkadiaaninen organisointi riippuu melatoniinisignaalista, esimerkiksi immuunipuolustuksen, antioksidanttisen puolustuksen, hemostaasin ja glukoosin säätelyn osalta. Melatoniinin fysiologisten ja farmakologisten vaikutusten välinen ero ei ole aina selvä, mutta se perustuu annoksen eikä hormoniviestin keston tarkasteluun. Myönnetään, että ”fysiologinen” annos tuottaa plasman melatoniinipitoisuuksia samassa suuruusluokassa kuin yöllinen huippu. Koska melatoniinin eritystä säätelevä järjestelmä on monimutkainen, sillä se noudattaa keskus- ja autonomisia reittejä, on monia patofysiologisia tilanteita, joissa melatoniinin eritys voi häiriintyä. Tästä johtuva muutos voi lisätä alttiutta sairastua, lisätä oireiden vakavuutta tai muuttaa sairauden kulkua ja lopputulosta. Koska melatoniinireseptorit jakautuvat elimistössä hyvin laajalle, tämän yhdisteen mahdollisia terapeuttisia käyttöaiheita on useita. Tällä alalla voitaisiin saavuttaa suuria edistysaskeleita kehittämällä monikeskustutkimuksia suurilla potilassarjoilla, jotta voitaisiin todeta melatoniinin teho ja pitkäaikaistoksisuuden puuttuminen.