background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introduction 
to the  
Mechanism of 
Action and 
the Control 
of Endocrine 
Activity
 

2013 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

2

 

 

Introduction to the Mechanism of Actions and 

the Control of Endocrine Activity 

Lecture 2 

 

 

 

 

 

 

 

Sunday 24/2/2013 

Objectives: 

1.  to understand the mechanism of action of hormones 

2.  to understand the basis of localization of receptors within the cell. 

3.  to know the  four second messenger systems recognized in cells 

4.  to understand the control of endocrine activity 

Mechanism of Action of Hormone: 

Understanding mechanism of action is not only of great interest to basic 

science, but critical to understanding and treating diseases of the endocrine 

system, and in using hormones as drugs.  

There are two fundamental mechanisms by which a hormone can change its 

target cell. These mechanisms are:  

 

Activation of enzymes and other dynamic molecules: Most 

enzymes fluctuate between conformational states that are catalytically 

active versus inactive. Many hormones affect their target cells by 

inducing such transitions, usually causing an activation of one of more 

enzymes. Because enzymes are catalysts and often serve to activate 

additional enzymes, a seemingly small change induced by hormone-

receptor binding can lead to widespread consequences within the cell. 

 

Modulation of gene expression: Stimulating transcription of a group of 

genes clearly can alter a cell's phenotype by leading to a burst of 

synthesis of new proteins. Similarly, if transcription of a group of 

previously active genes is shut off, the corresponding proteins will soon 

disappear from the cell.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

3

 

More specifically, when a receptor becomes bound to a hormone, it 

undergoes a conformational change which allows it to interact 

productively with other components of the cells, leading ultimately to an 

alteration in the physiologic state of the cell.  

Despite the molecular diversity of hormones, all hormone receptors can be 

categorized into one of two types, based on their location within the cell: 

 

Location of Receptor 

Classes of Hormones 

Principle Mechanism 

of Action 

Cell surface receptors 

(plasma membrane) 

Proteins and peptides, 

catecholamines and 

eicosanoids 

(water soluble) 

Generation of second 

messengers which alter 

the activity of other 

molecules - usually 

enzymes - within the cell 

Intracellular receptors 

(cytoplasm and/or 

nucleus) 

Steroids and thyroid 

hormones 

(lipid soluble) 

Alter transcriptional 

activity of responsive 

genes 

 

Quick quiz 1:

  

Hormone receptors are not present in: 

a.  Mitochondria 

b.  Plasma membrane 

c.  Cytoplasm 

d.  Nucleus 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

4

 

1. Hormones with Cell Surface Receptors 

Protein and peptide hormones, catecholamines like epinephrine, and 

eicosanoids such as prostaglandins find their receptors decorating the 

plasma membrane of target cells. Binding of hormone to receptor initiates a 

series of events which leads to generation of so-called second messengers 

within the cell (the hormone is the first messenger). The second messengers 

then trigger a series of molecular interactions that alter the physiologic state 

of the cell. Another term used to describe this entire process is signal 

transduction.  

Cell surface receptors are integral membrane proteins and, as such, have 

regions that contribute to three basic domains:  

 

Extracellular domains: 

Some of the residues exposed to the outside of the 

cell interact with and bind the hormone - another term for these regions is the 

ligand-binding domain

 

Transmembrane domains: 

Hydrophobic stretches of amino acids are 

"comfortable" in the lipid bilayer and serve to anchor the receptor in the membrane. 

 

Cytoplasmic or intracellular domains: 

Tails or loops of the receptor that 

are within the cytoplasm react to hormone binding by interacting in some way with 

other molecules, leading to 

generation of second 

messengers.   

As shown below, some 

receptors are simple, single-

pass proteins; many growth 

factor receptors take this 

form. Others, such as the receptor for insulin, have more than one subunit. 

Another class, which includes the beta-adrenergic receptor, is threaded 

through the membrane seven times.  

Interaction of the hormone-bound receptor with other membrane or 

cytoplasmic proteins is the key to generation of second messengers and 

transduction of the hormonal signal.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

5

 

Second Messenger Systems 

Nonsteroid hormones (water soluble) do not enter the cell but bind to plasma 

membrane  receptors,  generating  a  chemical  signal  (second  messenger) 

inside  the  target  cell.  Second  messengers  activate  other  intracellular 

chemicals to produce the target cell response. 

 

 

 

 

The action of nonsteroid hormones. Images from Purves et al., Life: The Science of Biology, 4th Edition, by 
Sinauer Associates

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

6

 

Currently, four second messenger systems are recognized in cells, as 

summarized in the table below. Note that not only do multiple hormones 

utilize the same second messenger system, but a single hormone can utilize 

more than one system. 

Second Messenger 

Examples of Hormones Which Utilize This 

System 

Cyclic AMP 

Epinephrine and norepinephrine, glucagon, 

luteinizing hormone, follicle stimulating 

hormone, thyroid-stimulating hormone, 

calcitonin, parathyroid hormone, antidiuretic 

hormone 

Protein kinase activity 

Insulin, growth hormone, prolactin, oxytocin, 

erythropoietin, several growth factors 

Calcium and/or 

phosphoinositides 

Epinephrine and norepinephrine,  antidiuretic 

hormone, gonadotropin-releasing hormone, 

thyroid-releasing hormone. 

Cyclic GMP 

Atrial naturetic hormone, nitric oxide 

 

Quick quiz 2: for all the following, the second messenger is a kinase or 

phosphate except: 

a.  Glucagons 

b.  Erythropoietin 

c.  Insulin 

d.  Growth hormone 

 

In all cases, the seemingly small signal generated by hormone binding 

its receptor is amplified within the cell into a cascade of actions that 

changes the cell's physiologic state. Presented below are two examples of 

second messenger systems commonly used by hormones.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

7

 

1.  Cyclic AMP Second Messenger Systems 

Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) is a nucleotide generated from 

ATP through the action of the enzymadenylate cyclase. The intracellular 

concentration of cAMP is increased or decreased by a variety of hormones 

and such fluctuations affect a variety of cellular processes. One prominent 

and important effect of elevated concentrations of cAMP is activation of a 

cAMP-dependent protein kinase called protein kinase A.  

Protein kinase A is nominally in a catalytically-inactive state, but becomes 

active when it binds cAMP. Upon activation, protein kinase A phosphorylates 

a number of other proteins, many of which are themselves enzymes that are 

either activated or suppressed by being phosphorylated. Such changes in 

enzymatic activity within the cell clearly alter its state.  

Simple Example:  mechanism of action of glucagon:  

 

Glucagon binds its receptor in the plasma membrane of target cells 

(e.g. hepatocytes). 

 

Bound receptor interacts with and, through a set of G proteins, turns on 

adenylate cyclase, which is also an integral membrane protein. 

 

Activated adenylate cyclase begins to convert ATP to cyclic AMP, 

resulting in an elevated intracellular concentration of cAMP. 

 

High levels of cAMP in the cytosol make it probable that protein kinase 

A will be bound by cAMP and therefore catalytically active. 

 

Active protein kinase A "runs around the cell" adding phosphates to 

other enzymes, thereby changing their conformation and modulating 

their catalytic activity . 

 

Levels of cAMP decrease due to destruction by cAMP-

phosphodiesterase and the inactivation of adenylate cyclase.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

8

 

 

In the above example, the hormone's action was to modify the activity of pre-

existing components in the cell. Elevations in cAMP also have important 

effects on transcription of certain genes.  

 

Quick quiz 3: 

Which of the following statements concerning G 

proteins is correct? 

a.  G proteins bind the appropriate hormone at the cell surface. 

b.  G proteins interact with cytoplasmic receptors 

c.  G proteins are second messengers 

d.  G proteins causes the regulatory subunits f the protein kinase to 

dissociate from the catalytic subunits 

e.  Activated G protein may either activate or inhibit the 

production o second messenger. 

 

Quick quiz 4:The signal transducer in cholera is: 

a.  Cyclic nucleotide 

b.  Phosphoinositide 

c.  Inhibitory G-protein 

d.  Stimulatory G-protein 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

9

 

2.  Tyrosine Kinase Second Messenger Systems 

The receptors for several protein hormones are themselves protein 

kinases which are switched on by binding of hormone. The kinase 

activity associated with such receptors results in phosphorylation of tyrosine 

residues on other proteins. Insulin is an example of a hormone whose 

receptor is a tyrosine kinase.  

The hormone binds to domains exposed on the cell's surface, resulting in a 

conformational change that activates kinase domains located in the 

cytoplasmic regions of the receptor. In many cases, the receptor 

phosphorylates itself as part of the kinase activation process. The activated 

receptor phosphorylates a variety of intracellular targets, many of which are 

enzymes that become activated or are inactivated upon phosphorylation. 

As seen with cAMP second messenger systems, activation of receptor 

tyrosine kinases leads to rapid modulation in a number of target proteins 

within the cell. Some of the targets of receptor kinases are protein 

phosphatases which, upon activation by receptor tyrosine kinase, become 

competent to remove phosphates from other proteins and alter their activity. 

Again, a seemingly small change due to hormone binding is amplified into a 

multitude of effects within the cell.  

 

Quick quiz 5: 

Tyroisine kinase activity is distributed in : 

a. 

 and 

β- adrenergic receptors 

b.  Insulin receptors 

c.  Cholinergic receptors 

d.  All the above 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

11

 

2. 

Hormones with Intracellular Receptors 

Receptors for steroid and thyroid hormones are located inside target cells, in 

the cytoplasm or nucleus, and 

function as ligand-dependent 

transcription factors. The 

hormone-receptor complex 

binds to promoter regions of 

responsive genes and stimulate 

or sometimes inhibit 

transcription from those genes. 

Thus, the mechanism of 

action of these hormones is 

to modulate gene expression 

in target cells. By selectively affecting transcription from a battery of genes, 

the concentration of those respective proteins are altered, which clearly can 

change the phenotype of the cell.  

Structure of Intracellular Receptors

 

Steroid and thyroid hormone receptors are members of a large group of 

transcription factors. All of these receptors are composed of a single 

polypeptide chain that has, three distinct domains:  

 

The amino-terminus

In most cases, this region is involved in activating or 

stimulating transcription by interacting with other components of the transcriptional 

machinery. The sequence is highly variable among different receptors.

 

 

DNA binding domain

Amino acids in this region are responsible for binding of 

the receptor to specific sequences of DNA

 

The carboxy-terminus or ligand-binding domain

This is the region that 

binds hormone

.  

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

11

 

 

 

In addition to these three core domains, two other important regions of the 

receptor protein are a nuclear localization sequence, which targets the protein 

to nucleus, and a dimerization domain, which is responsible for latching two 

receptors together in a form capable of binding DNA. 

Hormone-Receptor Binding and Interactions with DNA 

Being lipids, steroid hormones enter the cell by simple diffusion across the 

plasma membrane. Thyroid hormones enter the cell by facilitated diffusion. 

The receptors exist either in the cytoplasm or nucleus, which is where they 

meet the hormone. When hormone binds to receptor, a characteristic 

series of events occurs:  

 

Receptor activation

 is the term used to describe conformational 

changes in the receptor induced by binding hormone. The major 

consequence of activation is that the receptor becomes competent to 

bind DNA. 

 

Activated receptors bind to hormone response elements

, which are 

short specific sequences of DNA which are located in promoters of 

hormone-responsive genes. 

 

Transcription from those genes to which the receptor is bound is 

affected.

 Most commonly, receptor binding stimulates transcription. 

The hormone-receptor complex thus functions as a transcription factor.  

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

12

 

Steroid Hormones 

The second mechanism involves steroid hormones, which pass through the 

plasma membrane and act in a two step process. Steroid hormones bind, 

once inside the cell, to the nuclear membrane receptors, producing an 

activated hormone-receptor complex. The activated hormone-receptor 

complex binds to 

DNA and 

activates specific 

genes,

 increasing 

production of 

proteins. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quick quiz 6: 

Which is not true regarding steroid hormone? 

a.  They are lipophilic in nature 
b.  Their receptors are intracellular 
c.  They require cyclic AMP as second messenger 
d.  They require specific transporters to carry them in circulation 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

13

 

Control of Endocrine Activity 

The physiologic effects of hormones depend largely on their concentration in blood and 

extracellular fluid.  

The concentration of hormone as seen by target cells is determined by three factors:  

1.  Rate of production

:

 Synthesis and secretion of hormones are the most highly 

regulated aspect of endocrine control. Such control is mediated by positive and 

negative feedback circuits. 

2.  Rate of delivery

:

 An example of this effect is blood flow to a target organ or group 

of target cells:  

TRANSPORT OF HORMONES: hormones must be transported at least some distance to 

their target organs. The primary transport medium is the plasma, although the lymphatic 

system and the cerebrospinal fluid are also important. Since delivery of the hormone to its 

target tissue is required before a hormone can exert its effects, the presence or absence of 

specific transport mechanisms play a major role in mediating hormonal action. 

A)  The water-soluble hormones (peptide hormones, catecholamines) are transported 

in plasma in solution and require no specific transport mechanism. Because of this, 

the  water-soluble  hormones  are  generally  short-lived.  These  properties  allow  for 

rapid  shifts  in  circulating  hormone  concentrations,  which  is  necessary  with  the 

pulsatile  tropic  hormones  or  the  catecholamines.  This  is  consistent  with  the 

rapid onset of action of the water-soluble hormones. 

B)  The lipid-soluble hormones (thyroid hormone, steroids) circulate in the plasma 

bound to specific carrier proteins. Many of the proteins have a high affinity for 

specific hormone, such as thyroxine-binding globulin (TBG), sex hormone-

binding globulin (SHBG), and cortisol-binding globulin (CBG). Non-specific, low-

affinity] binding of these hormones to albumin also occurs. Carrier proteins 

act as reservoirs of hormone. Since it is generally believed that only the free hor-

mone can enter cells, a dynamic equilibrium must exist between the bound and 

free hormone. Thus, alterations in the amount of binding protein available, or in 

the affinity of the hormone for the binding protein, can markedly alter the total 

circulating pool of hormone without affecting the free concentration of hormone. 

Carrier  proteins  act  as  buffers  to  both  blunt  sudden  increases  in  hormone 

concentration and to diminish degradation of the hormone once it is secreted. Thus, the 

half-life of hormones that utilize carrier proteins is longer than those that are not protein-

bound. Indeed, carrier proteins have a profound effect on the clearance rate of hormones; 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

14

 

the greater the capacity for high affinity binding of the hormone in the plasma, the slower 

the clearance rate. Also, the carrier proteins allow slow, tonic delivery of the hormone to 

its target tissue. This is consistent with the slower onset of action of the lipid-soluble 

hormones. 

3.  Rate of degradation and elimination

:

 Hormones, like all biomolecules, have 

characteristic rates of decay, and are metabolized and excreted from the body 

through several routes.  

HORMONE METABOLISM:  Clearance of hormones from the circulation plays a critical role 

in the modulation of hormone levels in response to varied physiologic and pathologic 

processes. The time required to reach a new steady-state concentration in response to 

changes in hormone release is dependent upon the half-life of the hormone in the serum. 

Thus, an increase in hormone release or administration will have a much more marked effect 

if the hormone is cleared rapidly from the circulation as opposed to one that is cleared more 

slowly.  

Most  peptide  hormones  have  a  plasma  half-life measured  in  minutes,  consistent  with  the 

rapid actions and pulsatile nature of the secretion of these hormones. This rapid clearance 

is achieved by the lack of protein binding in the plasma, degradation or internalization of the 

hormone at its site of action, and ready clearance of the hormone by the kidney. Binding to 

serum  proteins  markedly  decreases  hormone  clearance,  as  is  observed  with  the  steroid 

hormones and the iodothyronines. Metabolism of the steroid hormones occurs primarily in 

the  liver  by  reductions,  conjugations,  oxidations,  and  hydroxylations,  which  serve  to 

inactivate the hormone  and  increase  their  water-solubility,  facilitating  their  excretion  in  the 

urine and the bile. Metabolic transformation also may serve to activate an inactive hormone 

precursor,  such as the  deiodination  of  thyroxine  to form T

3

.  Hormone  metabolism  is  not  as 

tightly regulated as is hormone synthesis and release. However, alterations in the metabolic 

pathways may be clinically important.  

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2013

 

15

 

Conclusions:  

1.  There are two fundamental mechanisms by which a hormone can 

change its target cell. 

a.  activation of enzymes 

b.  modulation of gene expesion 

2.  all hormone receptors can be categorized into one of two types, based 

on their location within the cell either to  

a.  Cell surface receptors (plasma membrane) or  

b.  Intracellular receptors (cytoplasm and/or nucleus) 

3.  not only do multiple hormones utilize the same second messenger 

system, but a single hormone can utilize more than one system. 

4.  The concentration of hormone as seen by target cells is determined by 

three factors 

a.  Rate of production 

b.  Rate of delivery 

c.  Rate of elimination 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 14 عضواً و 153 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