Melanotan{0}}II posjeduje jedinstvenu strukturnu kompoziciju. N-terminalna piroglutaminska kiselina (pGlu) nastaje ciklizacijom -amino i -karboksilnih grupa glutaminske kiseline; ova struktura poboljšava stabilnost peptida i štiti ga od razgradnje aminopeptidazama. Histidin sadrži imidazolni prsten koji pokazuje kiselo{6}}bazna svojstva pri fiziološkom pH, što mu omogućava da učestvuje u vodoničnim vezama i elektrostatičkim interakcijama sa drugim molekulima. Triptofan ima glomazni bočni lanac indolnog prstena; ovaj prsten ne samo da daje jaku hidrofobnost, već i olakšava interakciju sa drugim aromatičnim aminokiselinama ili malim molekulima putem π-π slaganja. Bočni lanac serina sadrži hidroksilnu grupu (-CH₂OH) sposobnu da učestvuje u vodoničnim vezama i raznim enzimskim reakcijama. Ostatak tirozina nosi fenolnu hidroksilnu grupu (-CH₂C₆H₄OH) na svom bočnom lancu; ova grupa može biti podvrgnuta fosforilaciji i igra ključnu ulogu u proteinskim-proteinskim interakcijama.
Ugradnja D-alanina mijenja prostornu konformaciju peptida; budući da su D-aminokiseline enantiomeri L-aminokiselina koje se javljaju u prirodi, njihovi različiti prostorni rasporedi utiču na ukupno savijanje peptida i vezivanje receptora. Leucin posjeduje dugi hidrofobni bočni lanac (-CH₂CH(CH₃)CH₂CH₃), što povećava hidrofobnost peptida. Acetilacija lizinske ε-amino grupe dodatno poboljšava stabilnost peptida, a istovremeno utiče i na njegovu distribuciju naboja. Prisustvo prolina indukuje specifičnu krutu strukturu unutar peptidnog lanca; budući da imino grupa formira cikličku strukturu sa bočnim lancem, ona ograničava slobodu rotacije lanca, značajno utičući na sekundarnu strukturu peptida. Valin ima izobutilni bočni lanac (-CH(CH₃)₂), koji je također hidrofobne prirode. Ovi ostaci aminokiselina su povezani sekvencijalno preko peptidnih veza (–CO–NH–); karbonil (C=O) i imino (N–H) grupe unutar ovih veza mogu formirati vodonične veze, stabilizirajući sekundarne strukture polipeptida, kao što su -listovi i -helice. Unutar cjelokupne strukture, interakcije između različitih funkcionalnih grupa određuju hemijska svojstva i biološke funkcije Melanotana-II.