Les récepteurs de la mélatonine peuvent se classer en différentes catégories. Il faut faire une distinction entre les récepteurs de la mélatonine 1 et 2 (MTL1 et MTL2), qui ont chacun leur propre distribution et des fonctions spécifiques. Ils sont tous appelés récepteurs membranaires, sur l’extérieur desquels la mélatonine est capable de se fixer. En tel cas, toute une série de processus se déclenche à travers des protéines-G spécifiques à l’intérieur de la cellule, ce qui provoque d’autres effets de la mélatonine sur la cellule. Il existe par ailleurs, une troisième catégorie de récepteurs qui ne se fixe pas dans la membrane cellulaire, mais se trouve à l’intérieur de la cellule. Mais cette catégorie de récepteurs ne se trouve que chez certaines espèces animales et ne joue pas un rôle significatif pour les humains.

Les récepteurs de mélatonine 1 et 2 précédemment mentionnés sont répartis sur un certain nombre d’organes et sur des structures cellulaires spécifiques. L’information « temps », basée sur la concentration variable de mélatonine, est transmise aux tissus et à l’ensemble de notre organisme.

La plus haute densité de récepteurs de mélatonine se trouve dans certaines régions du cerveau. Il est intéressant de souligner que cette répartition peut varier en fonction des espèces. Par exemple, chez les rongeurs et les mammifères, les récepteurs se trouvent essentiellement dans les zones contrôlant l’horloge interne et les fonctions gonadiques (organes nécessaires pour la production d’hormones sexuelles et utiles à la reproduction), tandis que chez les humains, les récepteurs se trouvent dans une autre zone (outre l’horloge interne contenant la plupart des récepteurs), celle du cervelet et du cortex cérébral, mais pas dans les zones contrôlant les fonctions gonadiques. Ceci démontre clairement que le rôle de la mélatonine a changé pendant l’évolution et que tous les résultats obtenus à partir de modèles animaux ne sont pas applicables aux humains.

Outre les récepteurs dans le cerveau, un grand nombre de ces sites de fixation ont été découverts dans d’autres organes périphériques. Parmi les organes contenant des récepteurs de mélatonine citons : pancréas, foie, yeux, peau, certains vaisseaux sanguins, tractus gastro-intestinal et une partie des gonades. Le rôle exact de ces récepteurs fait encore l’objet d’études approfondies. Une chose est sûre, ces sites de liaison jouent un rôle dans le rythme jour/nuit avec les fonctions d’organes spécifiques. D’un autre côté, on suppose également que la mélatonine a d’autres fonctions qui sont plus facilement décrites comme des réglages précis et la synchronisation des interactions entre les organes.

Outre la fonction de réception-transmission de la mélatonine précédemment décrite, un autre effet à souligner est celui antioxydant. Dans ce cas, la mélatonine n’a pas besoin de points de fixation spécifiques mais son rôle est d’être un puissant capteur de radicaux libres. Les résultats des expériences menées sur des animaux peuvent être appliqués directement aux hommes car ce rôle n’est que le résultat de la structure moléculaire de la mélatonine. Vu sa capacité à pénétrer la plupart des cellules, la mélatonine est également capable de protéger tous les organes dès qu’elle est présente. Si l’on tient compte du fait que l’hormone est essentiellement secrétée la nuit et peut très facilement franchir la barrière hémato-encéphalique, elle peut également jouer un rôle de prévention contre les troubles oxydatifs dans les deux cellules nerveuses du cerveau, ainsi que dans d’autres organes pendant le sommeil nocturne. Ceci permet également d’expliquer un certain nombre d’effets positifs de la mélatonine qui ne sont pas directement liés à son interaction avec des récepteurs spécifiques mais reposent sur sa caractéristique de capteur de radicaux libres, que ce soit chez les animaux ou les humains.