Melatonin, epifiz bezi tarafından sentezlenen ve karanlığa tepki olarak salınan bilinen tek hormondur, bu nedenle "karanlık hormonu" adı verilmiştir. Melatonin, omurgalılardaki organizmalara sirkadiyen ve mevsimsel bir sinyal sağlar. Melatonin, bir dizi enzimatik reaksiyon yoluyla serotoninden (triptofandan yapılır) üretilir. Yoldaki son iki adım, arilalkilamin N-asetiltransferaz (AANAT) enzimi tarafından katalize edilen serotoninin N-asetilserotonine (NAS) dönüştürülmesini ve ardından N-asetilserotoninin hidroksil-indol-O-metiltransferaz enzimi tarafından katalize edilen melatonine dönüştürülmesini içerir. (HIOMT)

Pineal bez, postganglionik liflerden girdi alır, bu da noradrenalin salınımına ve siklik AMP üretiminin artmasına yol açar, böylece yukarıda belirtilen ve melatonin üretimi için kritik olan AANAT enzimini aktive eder. Nörohormon melatonin epifiz bezinde depolanmaz, bunun yerine kan dolaşımına salınır ve tüm vücut dokularına nüfuz edebilir. "Karanlığın" epifiz bezini melatonin salgılaması için uyardığına, oysa ışığa maruz kalmanın bu mekanizmayı engellediğine dikkat etmek önemlidir.

İlginç bir şekilde epifiz bezi, embriyolojik olarak beynin bir parçası iken, kan-beyin bariyerinin dışında yer alır ve ana kaynağı sempatik innervasyona sahip olduğu için merkezi sinir sistemi ile olan bağlantılarını kaybeder. Bu belki de epifiz bezinin yüksek melatonin üretimine ve karanlığa tepki olarak salgılanmasına yol açan büyük miktarda triptofan alma kabiliyetini açıklar. Bu süreç ayrıca, hücre zarlarından kolayca yayılan ve kan beyin bariyerini (BBB) ​​geçen plazma melatonin seviyelerinde 10-20 kat artışa yol açan erken enzimatik bozunmaya karşı göreli koruma sağlar