background image

The physiology of thyroid gland

                                               ﺩ.ﺑﺎﻥ ﺟﺎﺑﺭ 

Objectives : 

■ 

Describe the structure of the thyroid gland and how it relates to its function. 

■ 

Define the chemical nature of the thyroid hormones and how they are synthesized. 

■ 

Describe the role of protein binding in the transport of thyroid hormones and peripheral metabolism. 

■ 

Identify the role of the hypothalamus and pituitary in regulating thyroid function. 

■ 

Define the effects of the thyroid hormones in homeostasis and development. 

■ 

Understand the basis of conditions where thyroid function is abnormal and how they can be treated.

 

 
The thyroid gland 

The thyroid gland, located immediately below the larynx on each side of 

and  anterior  to  the  trachea.  The  thyroid  gland  is  composed,  of  closed 

follicles  (figure  1)  filled  with  a  secretory  substance  called  colloid  and 

lined  with  cuboidal  epithelial  cells  (  called  Follicular  cells  or  Principle 

cells) that secrete into the interior of the follicles. The major constituent 

of  colloid  is  the  large  glycoprotein  thyroglobulin,  which  contains  the 

thyroid hormones (thyroxin (T4) and Triiodothyronine  (T3). ) .In addition 

to Follicular cells, the thyroid contain small number of parafollicular cells 

(also  called  C‐cell),  embedded  inside  the  basal  lamina  surrounding  the 

follicle  which  secrete  calcitonin.  The  thyroid  gland  has  a  blood  flow 

about  five  times  the  weight  of  the  gland  each  minute.     

 

Figure 1 Histology of thyroid gland


background image

Synthesis and Secretion of the Thyroid Metabolic Hormones 

About  93  %  of  the  metabolically  active  hormones  secreted  by  the

thyroid gland is T4, and 7 % T3 . However, almost all the T4 is eventually 

converted  to  T3  in  the  tissues,  so  both  are  functionally  important.  The

functions  of  these  two  hormones  are  qualitatively  the  same,  but  they

differ in rapidity and intensity of action. T3 is about four times as potent 

as  T4,  but  it  is  present  in  the  blood  in  much  smaller  quantities  and 

persists for a much shorter time than does T4. why?? 

  Synthesis of thyroid hormones 

The steps involved in synthesis of thyroid hormones(figure 2) are: 

1. 

Synthesis and secretion of thyroglobulin precursor. 

The  thyroid  cells  are  typical  protein  secreting  glandular  cells.  The 

endoplasmic reticulum and Golgi apparatus synthesize and secrete into

the  follicles  a  large  glycoprotein  molecule  called  thyroglobulin.  Each

molecule  of  thyroglobulin  contains  about  70  tyrosine  amino  acids,  and

they  are  the  major  substrates  that  combine  with  iodine  to  form  the

thyroid hormones. 

2. 

Iodide Trapping 

Iodides ingested orally are absorbed from the gastrointestinal tract into 

the blood, most of the iodides are rapidly excreted by the kidneys, but 

only about one fifth are selectively removed from  the circulating blood 

by the cells of the thyroid gland . 

The basal membrane of the thyroid cell has the specific ability to pump

the  iodide  actively  to  the  interior  of  the  cell.  This  is  achieved  by  the

action of a sodium‐iodide symporter. The energy for transporting iodide 


background image

against a concentration gradient comes from …….?????

This process  of concentrating  the iodide in the cell is called iodide  trapping. 

Iodide is transported out of the thyroid cells across the apical membrane into 

the  follicle  by  a  chloride‐iodide  ion  counter‐transporter  molecule  called 

pendrin

.

 

3. 

Oxidation of the Iodide Ion 

The  first  essential  step  in  the  formation  of  the  thyroid  hormones  is 

conversion  of  the  iodide  ions  to  an  oxidized  form  of  iodine  that  is  then 

capable of combining directly with the amino acid tyrosine. This oxidation of 

iodine is promoted by the enzyme peroxidase. When the peroxidase system is 

blocked or hereditarily absent from the cells, the rate of formation of thyroid 

hormones falls to zero. 

4.  Organification" of Thyroglobulin

The binding of iodine with the thyroglobulin molecule is called organification

of  the  thyroglobulin.  Oxidized  iodine  will  bind  directly  but  slowly  with  the 

amino  acid  tyrosine.  Tyrosine  is  first  iodized  to  monoiodotyrosine  (MIT)and 

then to diiodotyrosine(DIT).  

5. 

Coupling reaction  

The  iodotyrosine  residues  become  coupled  with  one  another.  The  major 

hormonal product of the coupling reaction is T

4

 , which is formed when two 

molecules  of  DIT  are  joined  together.  Or  one  molecule  of  MIT  couples  with 

one molecule of DIT to form T

3

. Small amounts of reverse T

3

 (RT

3

) are formed 

by  coupling  of  DIT  with  MIT,  but  RT

3

  does  not  appear  to  be  of  functional 

significance in humans. 


background image

  Storage of Thyroglobulin  

The thyroid gland is able to store large amounts of hormone as  thyroglobulin 

molecule which contain up to 30  T4 molecules and a few T3 molecules Which 

is  sufficient  to  supply  the  body  with  its  normal  requirements  of  thyroid 

hormones for 2 to 3 months.  

  Secretion of thyroid hormone 

 The  thyroid  cells  sends  out  pseudopod  extensions  that  close  around  small 

portions of the colloid to form pinocytic .Then lysosomes in the cell cytoplasm 

immediately  fuse  with  these  vesicles  to  form  digestive  vesicles.  Multiple 

proteases enzymes digest the thyroglobulin molecules and release T4 and T3

in free form. These then diffuse through the base of the thyroid cell into the 

surrounding capillaries.  

Some  of  the  iodinated  tyrosine  in  the  thyroglobulin  never  become  thyroid 

hormones  but  remain  MIT  and  DIT  which  not  secreted  into  the  blood. 

Instead, their iodine is cleaved from them by a deiodinase enzyme that makes 

all  this  iodine  available  again  for  recycling  within  the  gland  for  forming 

additional thyroid hormones. 

About  one  half  of  the  T4  is  slowly  deiodinated  by  5'deiodinase  enzyme  to 

form additional T3. Therefore, the hormone finally delivered to and used by 

the tissues is mainly T3, a total of about 35 micrograms of T3 per day. At the 

end  ,  the  remaining  hormone  are  conjugated  in  the  liver  and  released  with 

bile. 


background image

 

(Figure 2):The steps involved in synthesis of thyroid hormones 

Transport of T4 and T3 to Tissues  

On  entering  the  blood,  more  than  99  %  of  the  T4  and  T3  combines 

immediately with several of the plasma proteins, all of which are synthesized 

by  the  liver.  They  combine  mainly  with  thyroxin‐binding  globulin  and  much 

less  with  thyroxin‐binding  prealbumin  and  albumin.  Only  free  and  albumin‐

bound thyroid hormone is biologically available to tissues. 

 

Mechanism of action 

Receptors for thyroid hormones are nuclear type and its affinity is ten times 

higher  for  T

3

  than  T

4

  .  Free  thyroid  hormone  receptor  (TR)  without  bound 

hormone  is  bound  to  hormone  response  element  of  DNA  (HRE)  and 

corepressor  (CoR).After  binding  T

3

  to  receptor  ‐  CoR  is  liberated  and 

coactivators (CoA) is bound and the transcription to mRNA begins(figure 3). 

Thyroid  hormones  also  appear  to  have  nongenomic  cellular  effects  that  are 


background image

independent  of  their  effects  on  gene  transcription.  Nongenomic  actions  of 

thyroid  hormone  include  the  regulation  of  ion  channels  and  oxidative 

phosphorylation  and  appear  to  involve  the  activation  of  intracellular 

secondary messengers such as cyclic AMP.  

 

Figure 3: Mechanism of action of thyroid hormone

 

Regulation of thyroid hormone 

The thyroid gland is part of the hypothalamic‐pituitary‐thyroid axis(figure 4).

Thyroid‐releasing  hormone  (TRH)  from  the  hypothalamus  stimulates 

thyroid‐stimulating  hormone  (TSH)  from  the  anterior  pituitary  gland, which 

stimulates  thyroid  hormone  release. 

(TRH  is  also  a  potent  stimulator  of  other 

Hormone release from the pituitary?)

 

Thyroid‐stimulating hormone is a peptide hormone with one α‐chain and one 

β‐chain.TSH acts through cyclic AMP mechanism.  

 


background image

Binding  of  TSH  to  receptors  on  the  membrane  of  thyroid  epithelial  cells 

seems to:  

 

stimulate all steps of thyroid hormone synthesis & release. 

 

increase  the  size  &  vascularity  of    thyroid  gland.  Follicular  cells 

becomes columnar & active.  

Prolonged  stimulation  of  the  gland  by  TSH‐‐‐‐‐‐>↑  size  (hypertrophy)  &  number 

(hyperplasia) of follicular cells ‐‐‐‐‐‐‐> enlargement of thyroid gland (goiter). 

As blood concentrations of thyroid hormones increase, they inhibit both TSH 

and TRH, leading to inhibit of thyroid epithelial cells. Later, when blood levels 

of  thyroid  hormone  have  decayed,  the  negative  feedback  signal  fades,  and 

the system wakes up again.  

A  number  of  other  factors  have  been  shown  to  influence  thyroid  hormone 

secretion  ,  Excess  iodide  intake,  Stress,  Somatostatin  ,Glucocorticoids  and 

Dopamine  inhibits  it  while  exposure  to  a  cold  environment  increase  its

secretion

 

through their effect on TRH secretion from hypothalamus. 

  

 

 

 

 

 

Figure 4 :Regulation of thyroid hormone 

 


background image

Physiological Actions of the Thyroid Hormones

The physiological functions of thyroid hormone are summarized in following 
table: 

Target  

Effect  

Mechanism 

Heart 

Increase heart rate 

Increase number and affinity 

of B‐adrenergic receptor 

Increase strength of 

contraction 

Increase response to 

catecholamine 

Increase myosin filaments 

Blood 

vessels  

Vasodilatation 

Increase blood flow 

Accumulation of metabolite  

Muscle  

Catabolic 

Increase protein catabolism 

Bone  

Developmental and 

metabolic 

Promote normal growth and 

development 

Increase bone turnover  

Blood  

increase RBC and 

blood volume 

Increase erythropoietic activity 

Brain  

Developmental

Promote normal development 

Respiratory  

Increase the rate 

and depth of 

respiration 

Increase oxygen consumption 

and accumulation of 

metabolites  

Gut  

Metabolic  

Increase carbohydrate 

absorption  

Metabolism 

Lipid  

Increase lipolysis 

carbohydrate 

Increase all aspect of 

metabolism  

Protein 

Increase protein synthesis 

sexual 

For normal sexual 

function (fertility 

and lipido)  

Impressive  

Other  

Calorigenic  

Increase oxygen consumption 

by metabolic active tissue 

Basal  metabolic 

rate 

Increase 100 % in 

hyperthyroidism  

Normal Arterial Pressure ..why ????? 

 


background image

Thyroid function test (TFT) 

Thyroid function test (TFT) include TSH , T3 and T4 but measurement of TSH 

has become the principal test for the evaluation of thyroid function in most 

circumstances.  

A  TSH  value  within  the  reference  interval  excludes  the  majority  of  cases  of 

primary overt thyroid disease. If TSH is abnormal, confirm the diagnosis with 

free thyroxine (fT4).  

So if  TSH above the reference range , the condition is hypothyroidism  

and if TSH  below the reference range , the condition is hyperthyroidism. 

 

"Normal"  TSH  levels

  are  considered  to  exclude  hypothyroidism  or 

hyperthyroidism. 

Measurements  of free  T4 and  free  T3  have  replaced  measurements  of  total 

T4 and total T3 levels. Many conventional physicians do not test Total T4 or 

Free T4. However, in some cases, along with elevated TSH, Total T4 or Free T4 

levels  that  are  below  the  reference  range  are  considered  evidence  of 

hypothyroidism. Along with low/suppressed levels of TSH, Total T4 or Free T4 

levels  that  are  above  the  reference  range  are  considered  evidence  of 

hyperthyroidism.  Measurement  of  free  T3  in  patients  with  suspected 

hyperthyroidism  is  rarely  indicated.  This  is  reserved  for  situations  where 

hyperthyroidism is suspected  clinically and TSH is suppressed, but the fT4 is 

not elevated. Measurement of fT3 is not indicated in hypothyroidism 

Hormone

Reference Range

TSH 

0.25 ‐ 5 µIU/mL

Total T4

60‐120nmol/l

Free T4 

10.6 – 19.4 pmol/l

Total  T3

0.95 ‐2.5 nmol/l

Free T3 

4‐8.3 pmol/L

 

 


background image

Thyroid Diseases  

Disease  is  associated  with  both  inadequate  production  and 

overproduction of thyroid hormones.  

Hypothyroidism:  is  the  result  from  any  condition  that  results  in  thyroid 

hormone deficiency. Two well‐known examples include:  

 

Iodine deficiency: Iodide is absolutely necessary for production of 

thyroid  hormones;  without  adequate  iodine  intake,  thyroid  hormones 

cannot  be  synthesized.  This  problem  was  seen  particularly  in  areas  with 

iodine‐deficient soils, and iodine deficiency has been eliminated by iodine 

supplementation of salt. 

 

Primary thyroid disease: Inflammatory diseases of the thyroid that 

destroy  parts  of  the  gland  are  clearly  an  important  cause  of 

hypothyroidism. 

Common  symptoms  of  hypothyroidism  arising  after  early  childhood 

include  lethargy,  fatigue,  cold‐intolerance,

 

Constipation  Weight  gain  , 

weakness, hair loss and reproductive failure. If these signs are severe, the 

clinical condition is called myxedema. In the case of iodide deficiency, the 

thyroid becomes inordinantly large and is called a goiter.  

The  most  severe  form  of  hypothyroidism  is  seen  in  young  children  with 

congenital  thyroid  deficiency.  If  that  condition  is  not  corrected  by 

supplemental  therapy  soon  after  birth,  the  child  will  suffer  from 

cretinism

, a form of irreversible growth and mental retardation.  

Diagnosis  of  hypothyroidism  by  sign  and  symptom  ,  TFT  in  addition  to 

imaging techniques.   


background image

Disease 

Types  

TFT

TSH

T3

T4 

Hypothyroidism 

Primary

High

low

low 

Secondary

low

low

low 

Subclinical 

High 

Normal 

Normal 

Most  cases  of  hypothyroidism  are  readily  treated  by  oral  administration 

of synthetic thyroid hormone.  

Hyperthyroidism:  results  from  over  secretion  of  thyroid  hormones.  It  is 

less  common  than  hypothyroidism.  The  most  common  form  of 

hyperthyroidism  is  Graves  disease,  an  immune  disease  in  which 

autoantibodies  bind  to  and  activate  the  thyroid‐stimulating  hormone 

receptor,  leading  to  continual  stimulation  of  thyroid  hormone  synthesis. 

Common  signs  of  hyperthyroidism  are  basically  the  opposite  of  those 

seen  in  hypothyroidism,  and  include  nervousness,  tremor  ,Weight  loss 

,insomnia, high heart rate, eye disease(exophtalmus) and anxiety.  

Diagnosis  of  hyperthyroidism  by  sign  and  symptom  ,  TFT  ,  TSH  receptor 

antibody , in addition to imaging techniques. 

 

Treatment For Hyperthyroidism 

A. By using Antithyroid Substances 

Antithyroid  substances  are  the  drugs  which  suppress  the  secretion  of 

thyroid hormones. Three well‐known antithyroid substances are: 

Diseases  

Types  

TFT

TSH

T3

T4 

Hyperthyroidism 

Primary

low

High

High 

Secondary

High

High

High 

Subclinical 

Low 

Normal 

Normal 


background image

1.  Thiocyanate:  prevents  thyroid  hormone  synthesis  by  inhibiting  the 

iodide trapping (it can cause competitive inhibition of iodide transport into 

the cell). 

2. Propylthiouracil Decreases Thyroid Hormone Formation 

Propylthiouracil  (and  other,  similar  compounds,  such  as  methimazole  and

carbimazole)  prevents  formation  of  thyroid  hormone  by  blocking  the 

peroxidase  enzyme  and  by  blocking    the  coupling  reaction.  Propylthiouracil, 

like thiocyanate, does not prevent formation of thyroglobulin. The absence of

  T3  and  T4  in  the  thyroglobulin  can  lead  to  tremendous  feedback

inhancement of TSH secretion, thus promoting growth of the glandular tissue

and forming a goiter. 

3.High Concentrations  Iodides (

 

Decrease Thyroid Activity and Thyroid Size

High  concentration  iodide  (100  times  the  normal  plasma  level),  most

activities of the thyroid gland are decreased. The endocytosis of colloid is 

paralyzed  ,  so    It  has  almost  immediate  shutdown  of  thyroid  hormone

secretion into the blood. Because iodides in high concentrations decrease 

all phases of thyroid activity, they slightly decrease the size of the thyroid

gland  and  especially  decrease  its  blood  supply,  so  it  use  before 

thyroidectomy. 

b.  By  Surgical  Removal  (thyroidectomy):  In  advanced  cases  of 

perthyroidism, antithyroid substances is not effected So, thyroidectomy is 

done. 

 

 


background image

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 113 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل