Melatonin wird vorwiegend in der Zirbeldrüse produziert. Von dort wird es in einem bestimmten Tagesrhythmus in den Blutkreislauf abgegeben und «informiert» so den gesamten Körper über die circadianen (Schlaf-Wach-) Phasen. Da Tageslicht die Melatoninproduktion hemmt, wird Melatonin hauptsächlich während der Nacht produziert. Neben dem 24-stündigen circadianen Rhythmus gibt es auch einen Jahresrhythmus, der auf den unterschiedlichen Lichtverhältnissen im Laufe der Jahreszeiten basiert. Infolgedessen wird Melatonin im Winter über einen längeren Zeitraum als im Sommer produziert und in das Blut abgegeben. Bei manchen Tierarten wird hierdurch u.a. der Wechsel der Fellfarbe, der Winterschlaf und die Paarungsbereitschaft hervorgerufen. Auch bestimmte Nahrungsmittel stellen Melatonin bereit. Es findet sich u.a. in Lebensmitteln wie Milch, Kirschen, Walnüssen, Bananen, Eiern und Zartbitterschokolade. Bestimmte Nachtschattengewächse wie die Tomaten enthalten ebenfalls viel Melatonin.
Der Mensch hat bis zum 3. Lebensmonat kaum einen Melatonin-Tag-Nacht-Rhythmus. Danach steigen die nächtlichen Serumspiegel an und es bildet sich allmählich der circadiane Rhythmus heraus. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass die Melatoninwerte während der abendlichen Dämmerung schnell ansteigen, dann über die ganze Nacht hinweg auf einem relativ hohen Niveau bleiben, um dann am frühen Morgen rasch abzufallen. Zwischen dem 1. und 3. Lebensjahr werden die höchsten Melatoninkonzentrationen erreicht, danach nimmt die Produktion stetig ab. Ältere Menschen haben demzufolge nachts nicht mehr so hohe Melatoninwerte wie junge Menschen, bei denen man einen etwa 8 –10fachen Anstieg der Melatoninwerte während der Nacht beobachtet. Darüber hinaus beginnt bei älteren Menschen der nächtliche Melatoninwert oft erst spät in der Nacht zu steigen, was mit dazu beitragen kann, dass diese Personen schlecht einschlafen. Gleichzeitig fallen die nächtlichen Melatoninspiegel zu früh wieder auf Tagesniveau herab, was zu einem verfrühten Aufwachen führen kann. Somit erreichen ältere Erwachsene Melatoninwerte von nur maximal dem 3-fachen der Tageswerte und dies auch nur für kurze Zeit. Dieser geringe Unterschied der Tag-Nacht Werte bei älteren Menschen reicht oft nicht aus, um dem Körper den Wechsel zwischen Tag und Nacht genau zu vermitteln und die innere Uhr zu steuern.
Schlaf: 1958 von Dr. Aaron Lerner entdeckt, ist Melatonin seit Anfang der 1980er Jahre Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten. Es hat sich gezeigt, dass Melatonin dem Einzelnen beim Einschlafen helfen und die Schlafqualität erhöhen sowie einen erholsamen Schlaf während der ganzen Nacht fördern kann. Es ist darüber hinaus nicht suchterzeugend und eine Gewöhnung wurde bis dato auch nicht beobachtet. Einige Medikamente inklusive bestimmter Schlafmittel können hingegen die Eigenproduktion von Melatonin unterdrücken.
Jetlag: Es hat sich gezeigt, dass Melatonin dazu beitragen kann, die Verschiebung eines gestörten Schlaf-Wach-Zyklus, die bei internationalen Flügen und unter Schichtarbeitern üblich ist, wieder zurückzusetzen. Dies kann helfen, die Symptome des Jetlags zu unterdrücken und die Rückkehr des Körpers zu einem normalen Schlaf-Wach-Zyklus zu beschleunigen.
Sollte der Körper nicht ausreichend Melatonin produzieren oder die körpereigene Produktion gestört sein, kann das Hormon durch spezielle Nahrungsergänzungsmittel supplementiert werden. Eine pulsatile Freisetzung , die sicherstellt, dass Melatonin für sechs bis acht Stunden dem Körper bereitgestellt wird, kann erholsamen Schlaf während der gesamten Nachtphase ohne morgendlichem Hang-over ermöglichen.
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