background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

1

 

 
 

INTRODUCTION 
TO THE 
BIOCHEMISTRY 
OF HORMONES 
AND THEIR 
RECPTORS 

2013 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

2

 

Introduction to the Biochemistry of Hormones and their 

Receptors 

Lectuctre1   

 

 

 

 

 

Sunday 17/2/2013 

 

Objectives: 

1.  To understand the biochemical nature and diversity of hormones and 

their classifications. 

2.  To understand the role and nature of receptors on target cells 

3.  To understand the mechanism of regulation of hormones  

 

The endocrine system is one of the two coordinating and integrating systems 

of the body. It acts through chemical messengers - hormones 

–carried in the 

circulation. 

Two systems control all physiologic processes:  

 

The nervous system

 exerts point-to-point control through nerves, similar 

to sending messages by conventional telephone. Nervous control is 

electrical in nature and fast. 

 

The endocrine system

 broadcasts its hormonal messages to essentially 

all cells by secretion into blood and extracellular fluid. Like a radio 

broadcast, it requires a receiver to get the message - in the case of 

endocrine messages, cells must bear a receptor for the hormone being 

broadcast in order to respond.  

Endocrinology is the study of hormones, their receptors and the intracellular 

signaling pathways they invoke. Distinct endocrine organs are scattered 

throughout the body. These are organs that are largely or at least famously 

devoted to secretion of hormones. In addition to the classical endocrine 

organs, many other cells in the body secrete hormones. Myocytes in the atria 

of the heart and scattered epithelial cells in the stomach and small intestine 

are examples of what is sometimes called the "diffuse" endocrine system. If 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

3

 

the term hormone is defined broadly to include all secreted chemical 

messengers, then virtually all cells can be considered part of the endocrine 

system.  

 

All pathophysiologic events are influenced by the endocrine milieu

There are no cell types, organs or processes that are not influenced - 

often profoundly - by hormone signaling.  

 

All "large" physiologic effects are mediated by multiple hormones acting 

in concert: Normal growth from birth to adulthood, for example, is surely 

dependent on growth hormone, but thyroid hormones, insulin-like 

growth factor-1, glucocorticoids and several other hormones are also 

critically involved in this process.  

 

There are many hormones known and little doubt that others remain to 

be discovered.  

 

Quick quiz 1: 

The purpose of the endocrine system is to:  

1.  deliver nutrients to the boy's cells 

2.  regulate and integrate the body's metabolic activities 

3.  eliminate waste products from the body 

4.  control the body's temperature and produce cells. 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

4

 

Hormones, Receptors and Target Cells 

 

1. Classes of Hormones 

Knowing the basic structure of a hormone gives a considerable knowledge 

about its receptor and mechanism of action.  

Like all molecules, hormones are synthesized, exist in a biologically active 

state for a time, and then degrade or are destroyed. Having an appreciation 

for the "half-life" and mode of elimination of a hormone aids in understanding 

its role in physiology and is critical when using hormones as drugs.  

Most commonly, hormones are categorized into four structural groups, 

with members of each group having many properties in common:  

 

Peptides and proteins  

 

Amino acid derivatives  

 

Steroids  

 

Fatty acid derivatives - Eicosanoids  

 

1. 

Peptides and Proteins 

Peptide and protein hormones are products of translation. They vary 

considerably in size and post-translational modifications, ranging from 

peptides as short as three amino acids to large, multisubunit glycoproteins.  

Peptide hormones are synthesized in endoplasmic reticulum, transferred to 

the Golgi and packaged into secretory vesicles for export.  

They can be secreted by one of two pathways:  

 

Regulated secretion: The cell stores hormone in secretory granules 

and releases them in "bursts" when stimulated. This is the most 

commonly used pathway and allows cells to secrete a large amount of 

hormone over a short period of time.  

 

Constitutive secretion: The cell does not store hormone, but secretes 

it from secretory vesicles as it is synthesized.  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

5

 

Most peptide hormones circulate unbound to other proteins, but exceptions 

exist; for example, insulin-like growth factor-1 binds to one of several binding 

proteins. In general, the half-life of circulating peptide hormones is only a few 

minutes.  

Several important peptide hormones are secreted from the pituitary gland. 

The anterior pituitary secretes: 

  Luteinizing hormone and follicle stimulating hormone, which act on the 

gonads.  

  prolactin, which acts on the mammary gland,  

  adrenocortiotrpic hormone (ACTH), which acts on the adrenal cortex to 

regulate the secretion of glucocorticoids, and  

  growth hormone, which acts on bone, muscle and liver.  

The posterior pituitary gland secretes: 

  antidiuretic hormone, also called vasopressin, and  

  oxytocin.  

Peptide hormones are produced by many different organs and tissues, 

however, including: 

  the heart (atrial-natriuretic peptide (ANP) or atrial natriuretic factor 

(ANF))  

  pancreas (insulin and somatostatin),  

  the gastrointestinal tract cholecystokinin, gastrin, and  

  fat stores (leptin) 

Many neurotransmitters are secreted and released in a similar fashion to 

peptide hormones, and some 'neuropeptides' may be used as 

neurotransmitters in the nervous system in addition to acting as hormones 

when released into the blood. When a peptide hormone binds to receptors on 

the surface of the cell, a second messenger appears in the cytoplasm. 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

6

 

2. 

Amino acid derivatives  

There are two groups of hormones derived from the amino acid 

tyrosine:  

 

Thyroid hormones are basically a "double" tyrosine with the critical 

incorporation of 3 or 4 iodine atoms. 

 

Catecholamines include epinephrine and norepinephrine, which are 

used as both hormones and neurotransmitters.  

 

The circulating half-life of thyroid hormones is on the order of a few days.  

Two other amino acids are used for synthesis of hormones:  

 

Tryptophan is the precursor to serotonin and the pineal hormone 

melatonin  

 

Glutamic acid is converted to histamine  

3. 

Steroids 

Steroids are lipids and, more specifically, derivatives of cholesterol. 

Examples include the sex steroids such as 

testosterone and adrenal steroids such as cortisol. 

The first and rate-limiting step in the synthesis of 

all steroid hormones is conversion of cholesterol to 

pregnenolone, which demonstrate the system of 

numbering rings and carbons for identification of 

different steroid hormones.  

Pregnenolone is formed on the inner membrane of 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

7

 

mitochondria then shuttled back and forth between mitochondrion and the 

endoplasmic reticulum for further enzymatic transformations involved in 

synthesis of derivative steroid hormones.  

Newly synthesized steroid hormones are rapidly secreted from the cell, with 

little if any storage. Increases in secretion reflect accelerated rates of 

synthesis. Following secretion, all steroids bind to some extent to plasma 

proteins.  

Steroid hormones are typically eliminated by inactivating metabolic 

transformations and excretion in urine or bile. 

4. Fatty Acid Derivatives - Eicosanoids 

Eicosanoids are a large group of molecules derived from 

polyunsaturated fatty acids. The principal groups of 

hormones of this class are prostaglandins, prostacyclins, 

leukotrienes and thromboxanes.  

Arachadonic acid is the most abundant precursor for these hormones. Stores 

of arachadonic acid are present in membrane lipids and released through the 

action of various lipases.  

A great variety of cells produce prostaglandins , including those of the liver, 

kidneys, heart, lungs, thymus gland, pancreas, brain, and reproductive 

organs. In contrast to hormones, prostaglandins usually act locally, affecting 

only adjacent cells or the very cell that secreted it. 

Prostaglandins are potent and are presented in very small quantities. They 

are not stored in cells but rather are synthesized just before release. These 

hormones are rapidly inactivated by being metabolized, and are typically 

active for only a few seconds 

Quick quiz 2: 

 

How are prostaglandins different from hormones? 

They do not use the blood for transportation, they act locally and are 

synthesized in cell membrane just before release. 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

8

 

2. 

Receptors and Target Cells

  

A given hormone usually affects only a limited number of cells, which 

are called target cells. A target cell responds to a hormone because it 

bears receptors for the hormone.  

 

 

 

 

Hormone 

receptors 

are found 

either exposed on the surface of the cell or within the cell, depending on the 

type of hormone. In very basic terms, binding of hormone to receptor triggers 

a cascade of reactions within the cell that affects function.  

Hormone receptors have two essential qualities: 

1.  The receptor must be able to recognize a unique binding site within the 

hormone in order to discriminate between the hormone and all other 

proteins. 

2.  The receptor must be able to transmit the information gained from 

binding to the hormone into a cellular response. 

Hormones may be secreted into blood and affect cells at distant sites. Some 

hormones known to act and affect neighboring cells or even have effects on 

the same cells that secreted the hormone. . Three actions are defined:  

 

Endocrine action

: the hormone is distributed in blood and binds to distant 

target cells. 

 

Paracrine action

: the hormone acts locally by diffusing from its source to 

target cells in the neighborhood. 

 

Autocrine action

: the hormone acts on the same cell that produced it. 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

9

 

 

 

Types of hormones 

 

 

Chemical messengers 

 

Example 

Description 

Intracellular 
chemical signal 

 

Prostaglandins 

Secreted by cells in a 
local area and 
influences the activity 
of the same cell from 
which it was secreted 

Autocrine 

 

Histamine, 
Prostaglandins 

Produced by a wide 
variety of tissues and 
secreted into tissue 
spaces; has a 
localized effect on 
adjacent cells 

Paracrine  

 

Thyroxine, 
Insulin 

Secreted into the 
blood by specialized 
cells; travels by the 
blood to target tissues 

Hormone 

 

Oxytocin, 
Antidiuretic 
hormone 

Produced by neurons 
and functions like 
hormones 

Neurohormone 

 

Acetylcholine,  
norepinephrine 

Produced by neurones 
and secreted into 
extracellular spaces 
by nerve terminals; 
travels short 
distances, influences 
postsynaptic cells or 
effector cells. 

Neurotransmitter 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

11

 

Two important terms are used to refer to molecules that bind to the 

hormone-binding sites of receptors:  

 

Agonists

 are molecules that bind the receptor and induce all the post-

receptor events that lead to a biologic effect. In other words, they act like 

the "normal" hormone, although perhaps more or less potently. 

 

Antagonists

 are molecules that bind the receptor and block binding of the 

agonist, but fail to trigger intracellular signaling events. Hormone 

antagonists are widely used as drugs.  

 

Feedback Control of Hormone Production 

Feedback circuits are at the root of most control mechanisms in physiology, and are 

particularly prominent(obvious) in the endocrine system. Instances of positive feedback 

certainly occur, but negative feedback is much more common.  

Feedback loops are used extensively to regulate secretion of hormones in the 

hypothalamic-pituitary axis. An important example of a negative feedback loop is seen in 

control of thyroid hormone secretion. The thyroid hormones thyroxine and triiodothyronine 

("T4 and T3") are synthesized and secreted by thyroid glands and affect metabolism 

throughout the body. The basic mechanisms for control in this system are:  

 

Neurons in the hypothalamus secrete thyroid releasing hormone (TRH), which 

stimulates cells in the anterior pituitary to secrete thyroid-stimulating hormone 

(TSH). 

 

TSH binds to receptors on epithelial cells in the thyroid gland, stimulating synthesis 

and secretion of thyroid hormones, which affect probably all cells in the body. 

 

When blood concentrations of thyroid hormones increase above a certain threshold, 

TRH-secreting neurons in the hypothalamus are inhibited and stop secreting TRH. 

This is an example of "negative feedback".  

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2013

 

11

 

 

Inhibition of TRH secretion leads to shut-off of TSH secretion, which leads to shut-off of 

thyroid hormone secretion. As thyroid hormone levels decay below the threshold, negative 

feedback is relieved, TRH secretion starts again, leading to TSH secretion...  

Quick quiz 3: 

The mechanism that helps regulate the endocrine system is 

called the: 

1.  transport mechanism 

2.  self-regulation mechanism 

3.  feedback mechanism 

4.  pituitary-target gland 

 

Conclusion: 

1.  Hormones can be classified according to their biochemical structure or 

water solubility. 

2.  The receptor must be able to recognize a unique binding site within the 

hormone and must be able to transmit the information gained from 

binding to the hormone into a cellular response. 

3. 

Feedback circuits are at the root of most control mechanisms in the 

endocrine syste

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 18 عضواً و 231 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