background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

1

Biochemistry of Hormones 

A case oriented approach

 

1.  Lecture 1: Introduction to the Biochemistry of hormones and their mechanism of actions. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thursday 

16/2 

 
2.  Lecture 2: Introduction to the Biochemistry of hormones and their mechanism of actions. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sunday 

19/2 

 
3.  Lecture 3: Biochemistry and disorders of hormones of the hypothalamus and pituitary gland 

(hypothalamus- pituitary axis). 

 

 

 

 

Thursday 

23/2 

 

 
4.  Lecture 4: Biochemistry and disorders of hormones of the hypothalamus and pituitary gland 

(hypothalamus- pituitary axis). 

 

 

 

 

Sunday 

26/2 

 
5.  Lecture 5: Biochemistry and disorders of hormones of the thyroid and parathyroid gland 

Sunday 

4/3 

6.  Lecture 6: Biochemistry and disorders of hormones of the pancreas    

Thursday 

8/3 

 

7.  Lecture 7: Biochemistry and disorders of hormones of the adrenal gland 

Sunday 

11/3 

 
8.  Lecture 8: Biochemistry and disorders of hormones of the adipose tissues, heart and kidney 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sunday 

18/3 

 
 
Aim and objective of the above eight lectures is to understand: 

1.  The functions of hormones and the mechanisms involved in the regulation of their 

secretion. 

2.  The types of receptor-hormone interactions and the specific effect that each type can 

be produced in the cell. 

3.  the hypothalamus- pituitary axis. 
4.  the  biochemistry and disorders of hormones secretion from different glands. 
5.  and to learn the major causes of endocrine disorders by discussing clinical cases. 

References: 

1.  "Biochemistry" by Lubert Stryer 

 

 

(textbook)

 

 
2.  "Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations" by T.M.Devlin 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(additional reading)

 

 
3.  
"Lippincott's Illustrated Reviews in Biochemistry" by P.C.Champe, R.A.Harvey and 

D.R.Ferrier 

 

 

 

 

 

(additional reading)

 

 
4.  "Harper's Biochemistry" by R.K.Murray, D.K.Granner, P.A. Mayes and V.W.Rodwell. 

 

 

 

 

 

 

 

 

(additional reading)

 

 
5.  "Clinical Laboratory Science Review" By Robert R. Harr 

(additional reading)

  

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

2

 

INTRODUCTION 
TO THE 

BIOCHEMISTRY 

OF HORMONES 
AND THEIR 

MECHANISM 

OF ACTIONS 

2012 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

3

Introduction to the Biochemistry of 

Hormones and their Mechanism of Actions

 

Lecture 1 

 

Thursday 16/2/2012 

Lecture 2 

 

Sunday 19/2/2012

 

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 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 a re 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 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

4

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.  

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.  

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

5

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.  

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) 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

6

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. 

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 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

7

demonstrate the system of numbering rings and carbons for identification of 

different steroid hormones.  

Pregnenolone is formed on the inner membrane of 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 

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 2012

 

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 2012

 

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 

 

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.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

10

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.  

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: 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

11

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 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

12

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.  

Structure of Cell Surface Receptors 

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.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

13

 

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.  

 

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. 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

14

 

 

 

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

 

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. 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

15

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 

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.  

1.  Cyclic AMP Second Messenger Systems 

Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) is a nucleotide generated from 

ATP through the action of the enzyme adenylate 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.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

16

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.  

 

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.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

17

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.  

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.  

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

18

 

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 2012

 

19

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. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

20

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 2012

 

21

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. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

22

 

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-


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

23

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

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.  

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 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

24

("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".  

 

 

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...  

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

25

 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

Biochemistry and 

Disorders of  

Hormones of the   

Hypothalamic and 

pituitary gland 

(hypothalamus 

and pituitary axis) 

1. Hormones of the hypothalamus 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

26

Hypothalamic and Pituitary Hormones  

Lecture 3 

Thursday 23/2 

1. Hormones of the hypothalamus 

The hypothalamus is an integral part of the substance of the brain. A small cone-shaped 

structure, it projects downward, ending in the pituitary stalk, a tubular connection to the 

pituitary gland, which is a double lobed structure that produces the endocrine secretions 

when stimulated by the hypothalamus.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Regulation of hormone secretion  

The hypothalamus regulates homeostasis

.

 It links the {nervous_system} to the {endocrine 

system}. In addition to secreting neurotransmitters and neuromodulators, the 

hypothalamus synthesizes and secretes a number of neurohormones. The neurons 

secreting neurohormones are true endocrine cells. 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

27

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Hormonal cascade of signals from CNS to ultimate hormone. 
 
The target "gland" is the last hormone-producing tissue in the cascade, which is stimulated 
by an appropriate anterior pituitary hormone. Examples are thyroid gland, adrenal cortex, 
ovary and testes. Ultimate hormone feedback negatively on sites producing intermediate 
hormones in the cascade. Amounts (nanogram (ng), microgram (µg), and milligram (mg) 
represent approximate quantities of hormone released. 
 

 

 

Environmental or 

internal signal 

CNS 

Limbic system 

Electrical –chemical signal 

Hypothalamus 

Electrical –chemical signal 

Anterior 

Target "gland" 

Releasing hormones (ng) 

Anterior pituitary tropic hormone (µg) 

Ultimate Hormone (mg) 

Systemic effects 

N

e

g

a

ti

v

e

 f

e

e

d

b

a

c

k

 i

n

h

ib

it

io

n

 

-

ve 

-

ve 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

28

 

The hypothalamus controls each lobe 

of the pituitary slightly differently. 

1.  control of Anterior lobe 

a.  The hypothalamus acts 

as an endocrine gland. 

b.  Hormones are sent 

from the hypothalamus 

to the anterior pituitary 

via a blood vessel 

called the portal vein. 

c.  The target tissue is the 

anterior lobe of the 

pituitary e.g. LH, TSH, 

and FSH. 

 

 

2.  control of the Posterior lobe 

d.  Neuro-hormones are synthesized in the hypothalamus neurons. They are 

transported and stored in vesicles in the axon ending located in the posterior 

pituitary. 

e.  Nerve impulses travel down the axon into the posterior pituitary. This causes 

the release of the vesicles of hormones into the blood stream at the 

posterior pituitary e.g. oxytocin , and ADH. 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

29

 

Many hormonal systems involve hypothalamus. 
 
Cascade of hormonal responses starting with an external or internal signal. This signal is 
transmitted first to the CNS and may involve the limbic system, including the hippocampus 
and amygdala. These components innervate the hypothalamus in a specific region, which 
responds by secreting (nanogram amounts) a specific releasing hormone. Releasing 
hormones are transported down a closed portal system to the anterior pituitary, where they 
cause secretion of microgram amounts of specific anterior pituitary hormones. These 
access the general circulation through fenestrated local capillaries and trigger release of 
an ultimate hormone in microgram to milligram daily amounts, which generates its 
response by binding to receptors in target tissues. Overall, this system is an amplifying 
cascade. Consequently, the organism is in intimate association with the external 
environment. Solid arrows indicate a secretory process. Long arrows studded with open or 
closed circles indicate negative feedback pathways (ultra-short, short, and long feedback 
loops). 
 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

30

1)  Thyrotropin-releasing hormone(TRH) 

Is the simplest of the hypothalamic neuropeptides. It consists essentially of three amino 

acids. Its basic sequence is glutamic acid-histidine-proline, although both ends of the 

peptide are modified. The simplicity of this structure is deceiving for TRH is involved in an 

extraordinary array of functions. Some of which are: 

a.  It stimulates the secretion of thyroid-stimulating hormone from the pituitary. 

b.  It also affects the secretion of prolactin from the pituitary. 

The TRH-secreting cells are subject to stimulatory and inhibitory influences from higher 

centers in the brain and they also are inhibited by circulating thyroid hormone.  

2)  Gonadotropin-releasing hormone (GnRH) 

Also known as luteinizing hormone-releasing hormone (LHRH), is a peptide chain of 10 

amino acids. It stimulates the synthesis and release of the two pituitary gonadotropins, 

luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH).  

3)  Corticotropin-releasing hormone (CRH) 

Is a large peptide consisting of a single chain of 41 amino acids. It stimulates not only 

secretion of corticotropin in the pituitary gland but also the synthesis of corticotropin in the 

corticotropin-producing cells (corticotrophs) of the anterior lobe of the pituitary gland. Many 

factors, both neurogenic and hormonal, regulate the secretion of CRH. Among the 

hormones that play an important role in modulating the influence of CRH is cortisol, the 

major hormone secreted by the adrenal cortex, which, as part of the negative feedback 

mechanism. Vasopressin, the major regulator of the body's excretion of water, has an 

additional ancillary role in stimulating the secretion of CRH. 

Excessive secretion of CRH leads to an increase in the size and number of corticotrophs 

in the pituitary gland, often resulting in a pituitary tumor. This, in turn, leads to excessive 

stimulation of the adrenal cortex, resulting in high circulating levels of adrenocortical 

hormones, the clinical manifestations of which are known as Cushing's syndrome. 

Conversely, a deficiency of CRH-producing cells can, by a lack of stimulation of the 

pituitary and adrenal cortical cells, result in adrenocortical deficiency.  

4)  Growth hormone-releasing hormone (GHRH or GRH)  

Like CRH, growth hormone-releasing hormone (GHRH) is a large peptide. A number of 

forms have been described that differ from one another only in minor details and in the 

number of amino acids (varying from 37 to 49). It is stimulated by stresses, including 

physical exercise, and secretion is blocked by a powerful inhibitor called somatostatin. 

Negative feedback control of GHRH secretion is mediated largely through compounds 

called somatomedins, growth-promoting hormones that are generated when tissues are 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

31

exposed to growth hormone itself. 

Isolated deficiency of GHRH (in which there is normal functioning of the hypothalamus 

except for this deficiency) may be the cause of one form of dwarfism, a general term 

applied to all individuals with abnormally small stature. 

5)  Prolactin release factor (PRF):  

Appears to be released from the hypothalamus in a pulsatile fashion and it is the 

fluctuation in PRF that regulates the circulating level of prolactin. 

6)  Somatostatin (Growth hormone release-inhibiting hormone; somatotropin 

release-inhibiting hormone ( GHRIH or SRIH) 

Somatostatin refers to a number of polypeptides consisting of chains of 14 to 28 amino 

acids. Somatostatin is also a powerful inhibitor of pituitary TSH secretion. Somatostatin, 

like TRH, is widely distributed in the central nervous system and in other tissues. It serves 

an important paracrine function in the islets of Langerhans, by blocking the secretion of 

both insulin and glucagon from adjacent cells. Somatostatin has emerged not only as a 

powerful blocker of the secretion of GH, insulin, glucagon, and other hormones but also as 

a potent inhibitor of many functions of the gastrointestinal tract, including the secretion of 

stomach acid, the secretion of pancreatic enzymes, and the process of intestinal 

absorption. 

7)  Prolactin release-inhibiting hormones (Dopamine and GAP) 

GAP= GnRH-associated peptide 

The hypothalamic regulation of prolactin secretion from the pituitary is different from the 

hypothalamic regulation of other pituitary hormones in two respects:  

1.  First, the hypothalamus primarily inhibits rather than stimulates the release of 

prolactin from the pituitary.  

2.  Second, this major inhibiting factor is not a neuropeptide, but rather the 

neurotransmitter dopamine. Prolactin deficiency is known to occur, but only rarely. 

Excessive prolactin production (hyperprolactinemia) is a common endocrine 

abnormality. 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

32

Table: Hypothalamic hypophysial-target gland hormones form integrated feedback loops 

 

Hypothalamic hormones 

No. of A.A 

in 

structure 

Pituitary 

Hormone 

Affected

1

 

Target Gland 

Hormone 

Affected 

Thyrotropin-releasing hormone 

(TRH) 

TSH (PRL) 

T

3

, T

Gonadotropin-releasing 

hormone (GnRH) 

10 

LH, FSH 

Androgens, 

estrogens, 

progestins 

Corticotropin-releasing 

hormone (CRH) 

41 

ACTH 

Cortisol 

Growth hormone-releasing 

hormone(GHRH or GRH)  

49 

GH 

IGF-1 

Prolactin  release factor 

Not 

established 

PRL 

neurohormones 

Somatostatin (Growth hormone 

release-inhibiting hormone; 

somatotropin release-inhibiting 

hormone (GHRIH or SRIH) 

 

14 

GH (TSH, FSH, 

ACTH) 

IGK-1; T

3

 andT

4

 

Prolactin- release-inhibiting 

hormones (Dopamine and GAP) 

(PRIH or PIH) 

 

PRL 

neurohormones 

1

The hypothalamic hormone has a secondary or lesser effect on the hormones in parentheses. 

 

 

 

 
  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

33

  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 

 

 

Biochemistry and 

Disorders of  

Hormones of the   

Hypothalamic and 

pituitary gland 

(hypothalamus 

and pituitary axis 

2. Hormones of the pituitary gland 

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

34

Lecture 4 

 

Sunday 26/2 

2. Hormones of the Pituitary gland  

The pituitary gland, also known 

as the hypophysis, is a roundish 

organ that lies immediately 

beneath the hypothalamus.  

Careful examination of the 

pituitary gland reveals that it 

composed of two distinctive 

parts:  

 

The 

anterior pituitary

 

(adenohypophysis) is a 

classical gland composed predominantly of cells that secrete protein hormones. 

 

The 

posterior pituitary

 (neurohypophysis) is not really an organ, but an extension 

of the hypothalamus. It is composed largely of the axons of hypothalamic neurons 

which extend downward as a large bundle 

behind the anterior pituitary.  

 

The target cells for most of the hormones produced in 

these tissues are themselves endocrine cells.  

 

The pituitary gland is often called the "master 

gland" of the body. The anterior and posterior pituitary 

secretes a number of hormones that collectively 

influence all cells and affect virtually all physiologic 

processes.  

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

35

Table: The major hormones synthesized and secreted by the pituitary gland, along 

with summary statements about their major target organs and physiologic effects. 

 

Hormone 

Major target 

organ(s) 

Major Physiologic Effects 

Growth hormone 

Liver, adipose 
tissue 

Promotes growth (indirectly), 
control of protein, lipid and 
carbohydrate metabolism 

Thyroid-stimulating h. 

Thyroid gland 

Stimulates secretion of thyroid 
hormones 

Adrenocorticotropic h.  Adrenal gland 

(cortex) 

Stimulates secretion of 
glucocorticoids 

Prolactin 

Mammary gland 

Milk production 

Luteinizing hormone 

Ovary and testis 

Control of reproductive function 

A

n

te

ri

o

P

it

u

it

a

ry

 

Follicle-stimulating h. 

Ovary and testis 

Control of reproductive function 

Antidiuretic hormone 

Kidney 

Conservation of body water 

P

o

s

te

ri

o

P

it

u

it

a

ry

 

Oxytocin 

Ovary and testis 

Stimulates milk ejection and uterine 
contractions 

As seen in the table above, the anterior pituitary synthesizes and secreted six  major 

hormones. Individual cells within the anterior pituitary secrete a single hormone (or 

possibly two in some cases). Thus, the anterior pituitary contains at least six distinctive 

endocrinocytes 

The cells that secrete thyroid-stimulating hormone do not also secrete growth hormone, 

and they have receptors for thyroid-releasing hormone, not growth hormone-releasing 

hormone.  

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

36

 

Overview of anterior pituitary hormones with hypothalamic releasing 

hormones and their actions 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

37

Anterior Pituitary Hormones 

1.  Growth Hormone 

Growth hormone, also known as somatotropin, is a 

protein hormone of about 190 amino acids that is 

synthesized and secreted by cells called somatotrophs in 

the anterior pituitary. It is a major participant in control of 

several complex physiologic processes, including growth 

and metabolism. Growth hormone is also of considerable 

interest as a drug used in both humans and animals.  

Physiologic Effects of Growth Hormone 

A critical concept in understanding growth hormone 

activity is that it has two distinct types of effects:  

 

Direct effects

 are the result of growth hormone binding its receptor on target cells. 

Fat cells (adipocytes), for example, have growth hormone receptors, and growth 

hormone stimulates them to break down triglyceride and suppresses their ability to 

take up and accumulate circulating lipids. 

Indirect effects

 are mediated primarily by a insulin-like growth factor-1 (IGF-1), a 

hormone that is secreted from the liver and other tissues in response to growth hormone. 

A majority of the growth promoting effects of growth hormone is actually due to IGF-1 

acting on its target cells. IGF-1 also appears to be the key player in muscle growth. It 

stimulates amino acid uptake and protein synthesis in muscle and other tissues.  

Metabolic Effects

  

 

Protein metabolism: In general, growth hormone stimulates protein anabolism in 

many tissues. This effect reflects increased amino acid uptake, increased protein 

synthesis and decreased oxidation of proteins. 

 

Fat metabolism: Growth hormone enhances the utilization of fat by stimulating 

triglyceride breakdown and oxidation in adipocytes. 

 

Carbohydrate metabolism: Growth hormone is one of a battery of hormones that 

serves to maintain blood glucose within a normal range. Growth hormone is often 

said to have anti-insulin activity, because it suppresses the abilities of insulin to 

stimulate uptake of glucose in peripheral tissues and enhance glucose synthesis in 

the liver. 

 

Mineral metabolism: promotes a positive calcium, magnesium and phosphate 

balance and causes the retention of Na

+

, K

+

 and Cl

-

.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

38

Control of Growth Hormone Secretion 

Production of growth hormone is modulated by many 

factors, including stress, exercise, nutrition, sleep and 

growth hormone itself. However, its primary controllers 

are two hypothalamic hormones and one hormone from 

the stomach:  

 

Growth hormone-releasing hormone (GHRH) 

is a hypothalamic peptide that stimulates both 

the synthesis and secretion of growth hormone. 

 

Somatostatin (SS) is a peptide produced by 

several tissues in the body, including the 

hypothalamus. Somatostatin inhibits growth 

hormone release in response to GHRH and to 

other stimulatory factors such as low blood glucose concentration. 

 

Ghrelin is a peptide hormone secreted from the stomach. Ghrelin binds to 

receptors on somatotrophs and potently stimulates secretion of growth hormone.  

Growth hormone secretion is also part of a negative feedback loop involving IGF-1. 

High blood levels of IGF-1 lead to decreased secretion of growth hormone not only by 

directly suppressing the somatotroph, but by stimulating release of somatostatin from the 

hypothalamus.  

Growth hormone also feeds back to inhibit GHRH secretion and probably has a direct 

(autocrine) inhibitory effect on secretion from the somatotroph.  

Integration of all the factors that affect growth hormone synthesis and secretion lead to a 

pulsatile pattern of release. In children and young adults, the most intense period of growth 

hormone release is shortly after the onset of deep sleep.  

Disease States 

A deficiency state can result not only from a deficiency in production of the hormone, but in 

the target cell's response to the hormone.  

Clinically, deficiency in growth hormone or receptor defects are known as growth 

retardation or dwarfism. The manifestation of growth hormone deficiency depends upon 

the age of onset of the disorder and can result from either heritable or acquired disease.  

The effect of excessive secretion of growth hormone is also very dependent on the age of 

onset and is seen as two distinctive disorders:  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

39

 

Gigantism is the result of excessive growth hormone secretion that begins in young 

children or adolescents. It is a very rare disorder, usually resulting from a tumor of 

somatotropes.  

 

Acromegaly results from excessive secretion of growth hormone in adults.  The 

excessive growth hormone and IGF-1 also lead to metabolic derangements, 

including glucose intolerance.  

 

2.  Thyroid Stimulating Hormone 

Thyroid-stimulating hormone, also known as thyrotropin, is secreted from cells in 

the anterior pituitary called thyrotrophs, finds its receptors on epithelial cells in the 

thyroid gland, and stimulates that gland to synthesize and release thyroid 

hormones.  

TSH is a glycoprotein hormone composed of 

two subunits, which are non-covalently bound 

to one another. The alpha subunit of TSH is 

also present in two other pituitary glycoprotein 

hormones, follicle-stimulating hormone and 

luteinizing hormone. In other words, TSH is composed of 

alpha subunit bound to the TSH beta subunit, and TSH 

associates only with its own receptor. Free alpha and beta 

subunits have essentially no biological activity. 

TSH has several acute effects on thyroid function. These 

occur in minutes and involve increases of all phases of T

3

 

and T

4

 biosynthesis. TSH also has several chronic effects 

on the thyroid. These require several days and include 

increases in the synthesis of proteins, phospholipids, and 

nucleic acids and in the size of number of thyroid cells. 

The most important controller of TSH secretion is thyroid-releasing hormone.  

Secretion of thyroid-releasing hormone, and hence, TSH, is inhibited by high blood 

levels of thyroid hormones in a classical negative feedback loop.  

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

40

 

3.  Adrenocorticotropic Hormone  

Adrenocorticotropic hormone, stimulates the adrenal cortex by enhancing the 

conversion of cholesterol to pregnenolone. More specifically, it stimulates secretion 

of glucocorticoids such as cortisol, and has little control over secretion of aldosterone, 

the other major steroid hormone from the adrenal cortex. Another name for ACTH is 

corticotropin.  

ACTH is secreted from the anterior pituitary in response to corticotropin-releasing 

hormone from the hypothalamus. Corticotropin-releasing hormone 

is secreted in response to many types of stress, which makes sense 

in view of the "stress management" functions of glucocorticoids. 

Corticotropin-releasing hormone itself is inhibited by 

glucocorticoids, making it part of a classical negative feedback 

loop.  

Within the pituitary gland, ACTH is produced in a process that 

also generates several other hormones. A large precursor protein 

named proopiomelanocortin (POMC) is synthesized and 

proteolytically chopped into several fragments as depicted below.  

 

The major attributes of the hormones other than ACTH that are produced in this process 

are summarized as follows:  

 

Lipotropin: Originally described as having weak lipolytic effects, its major 

importance is as the precursor to beta-endorphin. 

 

Beta-endorphin and Met-enkephalin: Opioid peptides with pain-alleviation and 

euphoric effects. 

 

Melanocyte-stimulating hormone (MSH): Known to control melanin pigmentation 

in the skin of most vertebrates. 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

41

  

4.  Prolactin  

Prolactin is a single-chain protein hormone closely related to growth hormone. It is 

secreted by so-called lactotrophs in the anterior pituitary. It is also synthesized and 

secreted by a broad range of other cells in the body.  

Prolactin is synthesized as a prohormone. Following cleavage of the signal peptide, the 

length of the mature hormone is between 194 and 199 amino acids, depending on 

species. Hormone structure is stabilized by three intramolecular disulfide bonds.  

Overall, several hundred different actions have been reported for prolactin in various 

species. Some of its major effects are:  

1.  Mammary Gland Development, Milk Production and Reproduction  

2.  Effects on Immune Function  

The prolactin receptor is widely expressed by immune cells, and some types of 

lymphocytes synthesize and secrete prolactin. These observations suggest that prolactin 

may act as an autocrine or paracrine modulator of immune activity..  

Control of Prolactin Secretion 

In contrast to what is seen with all the 

other pituitary hormones, the 

hypothalamus suppresses prolactin 

secretion from the pituitary.  

Dopamine serves as the major prolactin-

inhibiting factor or brake on prolactin 

secretion. In addition to inhibition by 

dopamine, prolactin secretion is positively 

regulated by several hormones, including 

thyroid-releasing hormone, gonadotropin-

releasing hormone and vasoactive 

intestinal polypeptide.  

Estrogens provide a well-studied 

positive control over prolactin synthesis 

and secretion


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

42

 

 

5. Gonadotropins: Luteinizing and Follicle Stimulating Hormones 

Luteinizing hormone (LH) and follicle-stimulating hormone (FSH) are called 

gonadotropins because stimulate the gonads - in males, the testes, and in females, 

the ovaries. As described for thyroid-simulating hormone, LH and FSH are large 

glycoproteins composed of alpha and beta subunits. The alpha subunit is identical in all 

three of these anterior pituitary hormones, while the beta subunit is unique for each 

hormone with the ability to bind its own receptor.  

a. 

Luteinizing Hormone

 

In both sexes, LH stimulates secretion of sex steroids from the gonads. In the testes, 

it stimulates the synthesis and secretion of testosterone. The ovary respond to LH 

stimulation by secretion of testosterone, which is converted into estrogen by adjacent 

granulosa cells.  

LH is required for continued development and function of corpora lutea. The name 

luteinizing hormone derives from this effect of inducing luteinization of ovarian follicles. 

b. 

Follicle-Stimulating Hormone

 

As its name implies, FSH stimulates the maturation of ovarian follicles. FSH is also 

critical for sperm production. It supports the function of Sertoli cells, which in turn 

support many aspects of sperm cell maturation.  

Control of Gonadotropin Secretion 

The principle regulator of LH and FSH secretion is 

gonadotropin-releasing hormone or GnRH (also 

known as LH-releasing hormone). In a classical 

negative feedback loop, sex steroids inhibit secretion of 

GnRH and also appear to have direct negative effects 

on gonadotrophs.  

This regulatory loop leads to pulsatile secretion of LH 

and, to a much lesser extent, FSH. Numerous 

hormones influence GnRH secretion, and positive and 

negative control over GnRH and gonadotropin secretion 

is actually considerably more complex than described in 

the figure. For example, the gonads secrete at least two additional hormones - inhibin and 

activin , which selectively inhibit and activate FSH secretion from the pituitary.  

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

43

 

Posterior Pituitary Hormones 

1.  Antidiuretic Hormone (Vasopressin)  

Roughly, 60% of the mass of the body is water, and despite wide 

variation in the amount of water taken in each day, body water 

content remains incredibly stable. Such precise control of body 

water and solute concentrations is a function of several hormones 

acting on both the kidneys and vascular system, but there is no doubt 

that antidiuretic hormone is a key player in this process.  

Antidiuretic hormone, also known as vasopressin, is a nine 

amino acid peptide secreted from the posterior pituitary.  

Physiologic Effects of Antidiuretic Hormone 

The single most important effect of antidiuretic hormone is to conserve body water by 

reducing the output of urine.   

Antidiuretic hormone stimulates water reabsorbtion by stimulating insertion of "water 

channels" or aquaporins into the membranes of kidney tubules. These channels transport 

solute-free water through tubular cells and back into blood, leading to a decrease in 

plasma osmolarity and an increase osmolarity of urine.  

Control of Antidiuretic Hormone Secretion 

1.  The most important variable regulating antidiuretic hormone secretion is 

plasma osmolarity, or the concentration of solutes in blood. When plasma 

osmolarity is below a certain threshold, the 

osmoreceptors are not activated and antidiuretic 

hormone secretion is suppressed. When 

osmolarity increases above the threshold, the 

ever-alert osmoreceptors recognize this and 

stimulate the neurons that secrete antidiuretic 

hormone. As seen the figure, antidiuretic 

hormone concentrations rise steeply and linearly 

with increasing plasma osmolarity.  

2.  Secretion of antidiuretic hormone is also simulated by decreases in blood 

pressure and volume, conditions sensed by stretch receptors in the heart and 

large arteries. Changes in blood pressure and volume are not nearly as sensitive a 

stimulator as increased osmolarity, but are nonetheless potent in severe conditions. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

44

For example, Loss of 15 or 20% of blood volume by hemorrhage results in massive 

secretion of antidiuretic hormone.  

Another potent stimulus of antidiuretic hormone is nausea and vomiting. 

 

Disease States 

The most common disease of man and animals related to antidiuretic hormone is diabetes 

insipidus. This condition can arise from either of two situations:  

 

Hypothalamic ("central") diabetes insipidus

 results from a deficiency in 

secretion of antidiuretic hormone from the posterior pituitary. Causes of this disease 

include head trauma, and infections or tumors involving the hypothalamus. 

 

Nephrogenic diabetes insipidus

 occurs when the kidney is unable to respond to 

antidiuretic hormone. Most commonly, this results from some type of renal disease, 

but mutations in the ADH receptor gene or in the gene encoding aquaporin-2 have 

also been demonstrated in affected humans.  

The major sign of either type of diabetes insipidus is excessive urine production. 

Some human patients produce as much as 16 liters of urine per day! If adequate water is 

available for consumption, the disease is rarely life-threatening, but withholding water can 

be very dangerous.  

2.  Oxytocin  

Oxytocin in a nine amino acid peptide that is synthesized in hypothalamic neurons and 

transported down axons of the posterior pituitary for secretion into 

blood. Oxytocin differs from antidiuretic hormone in two of the nine 

amino acids. Both hormones are packaged into granules and 

secreted along with carrier proteins called neurophysins.  

 

Control of Oxytocin Secretion 

A number of factors can inhibit oxytocin release, among them acute 

stress. For example, oxytocin neurons are repressed by 

catecholamines, which are released from the adrenal gland in response to many types of 

stress, including fright. 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

45

Clinical correlation 

 

Testing Activity of the Anterior Pituitary 

 

Releasing hormones and chemical analogs, particularly of the smaller peptides, are now 

routinely synthesized. The gonadotropin-releasing hormone, a decapeptide, is available for 

use in assessing the function of the anterior pituitary. This is of importance when a disease 

situation may involve either the hypothalamus, the anterior pituitary, or the end organ. 

Infertility is an example of such a situation. What needs to be assessed in which organ is 

at fault in the hormonal cascade. Initially, the end organ, in this case the gonads, must be 

considered. This can be accomplished by injecting the anterior pituitary hormone LH or 

FSH. If sex hormone secretion is elicited, then the ultimate gland would appear to be 

functioning properly. Next, the anterior pituitary would need to be analyzed. This can be 

done by i.v. administration of synthetic GnRH; by this route, GnRH can gain access to the 

gonadotropic  cells of the anterior pituitary and elicit secretion of LH and FSH. Routinely, 

LH levels are measured in the blood as a function of time after the injection.  These levels  

are measured by radioimmunoassay (RIA) in which radioactive LH or hCG is displaced 

from binding to an LH-binding protein by LH in the serum sample. The extent of the 

competition is proportional to the amount of LH in the serum. In this way a progress of 

response is measured that will be within normal limits or clearly deficient. If the response is 

deficient, the anterior pituitary cells are not functioning normally and are the cause of the 

syndrome. On the other hand, normal pituitary response to GnRH would indicate that the 

hypothalamus was non-functional. Such a finding would prompt examination of the 

hypothalamus  for conditions leading to insufficient  availability/production of releasing 

hormones. Obviously, the knowledge of hormone structure and the ability to synthesize 

specific hormones permits the diagnosis of these disease states. 

 

Source: Marshall, J. C. and Barkan, A. L., "Disorders of the hypothalamus and anterior 

pituitary. In: W. N. Kelley (Ed.), Internal Medicine." New York: Lippincott, 1989, p. 2759. 

Conn, P. M. "The molecular basis of gonadotropin-releasing hormone action". Endocr. 

Rev. 7:3, 1986. 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

46

Clinical correlation 

 

Hypopituitarism 

 

The hypothalamus is connected to the anterior pituitary by a delicate stalk that contains 

the portal system through which releasing hormones, secreted from the hypothalamus, 

gain access to the anterior pituitary cells. In the cell membranes of these cells are specific 

receptors for releasing hormones. In most cases, different cells express deferent releasing 

hormone receptors. The connection between the hypothalamus and anterior pituitary can 

be disrupted by trauma or tumors. Trauma can occur in automobile accidents or other local 

damaging events that may result in severing of the stalk, thus preventing the releasing 

hormones from reaching their target anterior pituitary cells. When this happens, the 

anterior pituitary cells no longer have their signaling mechanism for the release of anterior 

pituitary hormones. In the case of tumors of  the pituitary gland, all of the anterior pituitary 

hormones may not be shut off to the same degree or the secretion of some may disappear 

sooner than others. 

 

In any case, if the hypopituitarism occurs, this condition may result in a life-threatening 

situation in which the clinician must determine the extent of loss of pituitary hormones, 

especially ACTH. Posterior pituitary hormones (Oxytocin and vasopressin) may also be 

lost, precipitating a problem of excessive urination (vasopressin deficiency) that must be 

addressed. The usual therapy involves administration of the end-organ hormones, such 

as, thyroid hormone, cortisol, sex hormones, and progestin; with female patients it is also 

necessary to maintain the ovarian cycle. These hormones can be easily administered in 

the oral form. Growth hormone deficiency is not a problem in the adult but would be an 

important problem in a growing child. 

The patient must learn to anticipate needed increases of cortisol in the face of stressful 

situations. Fortunately, these patients are usually maintained in reasonably good condition. 

 

Source: Marshall, J. C. and Barkan, A. L., "Disorders of the hypothalamus and anterior 

pituitary. In: W. N. Kelley (Ed.), Internal Medicine." New York: Lippincott, 1989, p. 

2159.Robinson,A.G."Disorders of the posterior pituitary". In: W. N. Kelley(Ed.), Internal 

Medicine. New York: 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

47

Question : Hypopituitarism may result from trauma, such as an automobile accident 

severing the stalk connecting the hypothalamus and anterior pituitary, or from tumors of 

the pituitary gland. In trauma, usually all of the releasing hormones from hypothalamus fail 

to reach the anterior pituitary. With a tumor of the gland, some or all of the pituitary 

hormones may be shut off. Posterior pituitary hormones may also be lost. Hypopituitarism 

can be life threatening. Usual therapy is administration of end-organ hormones in oral 

form. 

 

1)  If the stalk between the hypothalamus and anterior pituitary is severed, the pituitary 

would fail to cause the ultimate release of all of the following hormones except : 

a)  ACTH. 

b)  estradiol. 

c)  oxytocin. 

d)  testosterone. 

e)  thyroxine. 

 

 

Answers: 

 

1)  C  Oxytocin is released from posterior pituitary. A, B, D, and E all require releasing 

hormones from hypothalamus for anterior pituitary to release them. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

48

Lecture 5 

 

Sunday 4/3 

Biochemistry and Disorder of Hormones of the  

Thyroid and Parathyroid Glands 

 

 

1. 

The Thyroid Gland 

The thyroid gland (Greek thyros “shield”) is shaped like a shield and lies just below 

the Adam’s apple in the front of the neck.  

The thyroid gland secretes thyroxine and smaller amounts of triiodothyronine (T3), 

which stimulate oxidative respiration in most cells in the body and, in so doing, help 

set the body’s basal metabolic rate. In children, these thyroid hormones also promote 

growth and stimulate maturation of the central nervous system. Children with 

underactive thyroid glands are therefore stunted in their growth and suffer severe 

mental retardation, a condition called cretinism. This differs from pituitary dwarfism, 

which results from inadequate GH and is not associated with abnormal intellectual 

development. 

People who are hypothyroid (whose secretion of thyroxine is too low) can take 

thyroxine orally, as pills. Only thyroxine and the steroid hormones (as in 

contraceptive pills), can be taken orally because they are nonpolar and can pass 

through the plasma membranes of intestinal epithelial cells without being digested. 

The thyroid gland also secretes calcitonin, a peptide hormone that plays a role in 

maintaining proper levels of calcium (Ca++) in the blood. When the blood Ca++ 

concentration rises too high, calcitonin stimulates the uptake of Ca++ into bones, thus 

lowering its level in the blood. 

 

 
 
 
  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

49

Thyroid Hormones 

1.  Thyroxin (T4) and triiodotyonine T3 

Biochemistry of Thyroid Hormones 

Thyroid hormones are derivatives of the amino acid tyrosine bound covalently to 

iodine. The two principal thyroid hormones are:  

 

thyroxine (T

4

 or L-3,5,3',5'-tetraiodothyronine)  

 

triiodotyronine (T

3

 or L-3,5,3'-triiodothyronine).  

Thyroid hormones are basically two tyrosines linked together with the critical 

addition of iodine at three or four positions on the aromatic rings. The number 

and position of the iodines is important. Several other iodinated molecules are 

generated that have little or no biological activity; so called "reverse T

3

 " 

 

A large majority of the thyroid hormone secreted from the thyroid gland is T

4

but T

3

 is the considerably more active hormone. Although some T

3

 is also 

secreted, the bulk of the T

3

 is derived by deiodination of T

4

 in peripheral tissues, 

especially liver and kidney. Deiodination of T

4

 also yields reverse T

3

, a molecule 

with no known metabolic activity.  

Thyroid hormones are poorly soluble in water, and more than 99% of the T

3

 and T

4

 

circulating in blood is bound to carrier proteins. The principle carrier of thyroid 

hormones is thyroxine-binding globulin, a glycoprotein synthesized in the liver. 

Another  carrier is albumin.  

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

50

Synthesis and Secretion of Thyroid Hormones 

The entire synthetic process occurs in three major steps:  

 

Production and accumulation of the raw 

materials  

 

Fabrication or synthesis of the hormones on a 

backbone or scaffold of precursor  

 

Release of the free hormones from the 

scaffold and secretion into blood  

Raw materials:  

 

Tyrosines are provided from a large 

glycoprotein scaffold called thyroglobulin,. 

A molecule of thyroglobulin contains 134 tyrosines, although only a handful of 

these are actually used to synthesize T

4

 and T

3

 

Iodine, or more accurately iodide (I

-

), is taken up from blood by thyroid epithelial 

cells, which have on their outer plasma membrane an "iodine trap". Once inside 

the cell, iodide is transported into the lumen of the follicle along with 

thyroglobulin.  

Fabrication of thyroid hormones is conducted by the enzyme thyroid peroxidase

Thyroid peroxidase catalyzes two sequential reactions:  

1.  Iodination of tyrosines on thyroglobulin (also known as "organification of 

iodide").  

2.  Synthesis of thyroxine or triiodothyronine from two iodotyrosines.  

 

Thyroid hormones are excised from their thyroglobulin scaffold by digestion in 

lysosomes of thyroid epithelial cells.  Free thyroid hormones apparently diffuse out 

of lysosomes, through the basal plasma membrane of the cell, and into blood where 

they quickly bind to carrier proteins for transport to target cells. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

51

Control of Thyroid Hormone Synthesis and Secretion 

Each of the processes described above appears to be stimulated by 

thyroid-

stimulating hormone

 from the anterior pituitary gland. Binding of TSH to its 

receptors on thyroid epithelial cells stimulates synthesis of the iodine transporter, 

thyroid peroxidase and thyroglobulin. When TSH levels are low, rates of thyroid 

hormone synthesis and release diminish. 

The thyroid gland is part of the 

hypothalamic-pituitary-thyroid axis, and 

control of thyroid hormone secretion is 

exerted by classical negative feedback.  

 

Thyroid Hormone Receptors and 

Mechanism of Action 

Receptors for thyroid hormones are 

intracellular DNA-binding proteins that 

function as hormone-responsive 

transcription factors, very similar 

conceptually to the 

receptors for steroid 

hormones

.  

Thyroid hormones enter cells through 

membrane transporter proteins. A number of plasma membrane transporters have 

been identified, some of which require ATP hydrolysis; the relative importance of 

different carrier systems is not yet clear and may differ among tissues. Once inside 

the nucleus, the hormone binds its receptor, and the hormone-receptor complex 

interacts with specific sequences of DNA in the promoters of responsive genes. 

The effect of receptor binding to DNA is to modulate gene expression, either by 

stimulating or inhibiting transcription of specific genes.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

52

 

Metabolic Effects of Thyroid Hormones 

Thyroid hormones have profound effects on many physiologic processes, such as 

development, growth and metabolism. They stimulate diverse metabolic activities 

most tissues, leading to an increase in basal metabolic rate. One consequence of 

this activity is to increase body heat production, which seems to result, at least in 

part, from increased oxygen consumption and rates of ATP hydrolysis. A few 

examples of specific metabolic effects of thyroid hormones include:  

 

Lipid metabolism: Increased thyroid hormone levels stimulate fat 

mobilization, leading to increased concentrations of fatty acids in plasma. They 

also enhance oxidation of fatty acids in many tissues. Finally, plasma 

concentrations of cholesterol and triglycerides are inversely correlated with 

thyroid hormone levels - one diagnostic indication of hypothyroidism is 

increased blood cholesterol concentration. 

 

Carbohydrate metabolism: Thyroid hormones stimulate almost all aspects of 

carbohydrate metabolism, including enhancement of insulin-dependent entry of 

glucose into cells and increased gluconeogenesis and glycogenolysis to 

generate free glucose.  

Other Effects: A few additional, effects of thyroid hormones include: 

  On muscle: T3 increases glucose uptake by muscle cells it also stimulate 

protein synthesis and therefore growth of muscle through its stimulatory 

actions on gene expression. Thyroid hormone sensitizes the muscle cell to the 

glycogenolytic actions of epinephrine. Glycolysis in muscle is increased by 

this action of T

3

  On the pancreas: thyroid hormone increases the sensitivity of the 

β

 cells of 

the pancreas to those stimuli that normally promote insulin release and is 

required for optimal insulin secretion 

 

On Cardiovascular system: Thyroid hormones increases heart rate, cardiac 

contractility and cardiac output. They also promote vasodilation, which leads 

to enhanced blood flow to many organs.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

53

 

On Central nervous system: Both decreased and increased concentrations of 

thyroid hormones lead to alterations in mental state. Too little thyroid 

hormone, and the individual tends to feel mentally sluggish, while too much 

induces anxiety and nervousness.  

 

On Reproductive system: Normal reproductive behavior and physiology is 

dependent on having essentially normal levels of thyroid hormone. 

Hypothyroidism in particular is commonly associated with infertility.  

Thyroid Disease States 

1.  Hypothyroidism  

2.  Hyperthyroidism 

a.  . Graves's disease

 

2.  Calcitonin 

Calcitonin is a hormone secreted from the parafolicular of C cells in the thyroid 

gland, known to participate in calcium and phosphorus metabolism.  

Calcitonin is a 32 amino acid peptide cleaved from a larger prohormone. It contains a 

single disulfide bond, which causes the amino terminus to assume the shape of a ring.  

 

Physiologic Effects of Calcitonin 

Calcitonin plays a role in calcium and phosphorus metabolism. In particular, 

calcitonin has the ability to decrease blood calcium levels at least in part by 

effects on two well-studied target organs:  

 

Bone: Calcitonin suppresses resorption of bone by inhibiting the activity of 

osteoclasts, a cell type that "digests" bone matrix, releasing calcium and 

phosphorus into blood. 

 

Kidney: Calcium and phosphorus are prevented from being lost in urine by 

reabsorption in the kidney tubules. Calcitonin inhibits tubular reabsorption of 

these two ions, leading to increased rates of their loss in urine.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

54

 

 

Control of Calcitonin Secretion 

The most prominent factor controlling calcitonin secretion is the extracellular 

concentration of ionized calcium. Elevated blood calcium levels strongly stimulate 

calcitonin secretion, and secretion is suppressed when calcium concentration falls 

below normal.  

Disease States 

A large number of diseases are associated with abnormally increased or decreased 

levels of calcitonin, but pathologic effects of abnormal calcitonin secretion per se are 

not generally recognized.  

 

2. 

The Parathyroid Glands and Calcium Homeostasis 

The parathyroid glands are four small glands attached to the thyroid. Because of their 

size, researchers ignored them until well into this century.  

The hormone produced by the parathyroid glands is a peptide called parathyroid 

hormone (PTH). It is one of only two hormones in humans that are absolutely 

essential for survival (the other is aldosterone). PTH is synthesized and released in 

response to falling levels of Ca++ in the blood. 

 

Hormones that regulate calcium metabolism  

Calcium ions regulate a number of important physiological and biochemical process. 

These include: 

1.  neuromuscular excitability 

2.  blood coagulation 

3.  secretory  processes 

4.  membrane integrity and plasma membrane transport 

5.  enzyme reactions 

6.  the release of hormones and neurotransmitters 

7.  and the intracellular action of a number of hormones. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

55

 

In addition the proper extracellular fluid and periosteal concentration of Ca

+2

  and 

PO

4

-3

 are required for bone mineralization. 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

56

 

To ensure that these processes operate normally, the plasma Ca

+2

 concentration is 

maintained within very narrow limits by the actions of the following hormones: 

 

 

1.  Parathyroid Hormone (PTH) 

Parathyroid hormone is the most important endocrine regulator of calcium and 

phosphorus concentration in extracellular fluid. This hormone is secreted from 

cells of the parathyroid glands and finds its major target cells in bone and kidney. 

Like most other protein hormones, parathyroid hormone is synthesized as a 

preprohormone. After intracellular processing, the mature hormone is packaged 

within the Golgi into secretory vesicles, then secreted into blood by exocytosis. 

Parathyroid hormone is secreted as a linear protein of 84 amino acids.  

 

Physiologic Effects of Parathyroid Hormone 

If calcium ion concentrations in extracellular fluid fall below normal, PTH 

brings them back within the normal range. In conjunction with increasing calcium 

concentration, the concentration of phosphate ion in blood is reduced. Parathyroid 

hormone accomplishes its job by stimulating at least three processes:  

 

Mobilization of calcium from bone: Although the mechanisms remain obscure, a 

well-documented effect of parathyroid hormone is to stimulate osteoclasts to 

reabsorb bone mineral, liberating calcium into blood. 

 

Enhancing absorption of calcium from the small intestine: Facilitating calcium 

absorption from the small intestine would clearly serve to elevate blood levels of 

calcium. Parathyroid hormone stimulates this process, but indirectly by 

stimulating production of the active form of vitamin D in the kidney. Vitamin D 

induces synthesis of a calcium-binding protein in intestinal epithelial cells that 

facilitates efficient absorption of calcium into blood. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

57

 

Suppression of calcium loss in urine: In addition to stimulating fluxes of 

calcium into blood from bone and intestine, parathyroid hormone puts a brake on 

excretion of calcium in urine, thus conserving calcium in blood.  

This effect is mediated by stimulating tubular reabsorption of calcium. Another effect 

of parathyroid hormone on the kidney is to stimulate loss of phosphate ions in urine.  

 

Control of Parathyroid Hormone Secretion 

Parathyroid hormone is released in response to low extracellular concentrations 

of free calcium. Changes in blood phosphate concentration can be associated with 

changes in parathyroid hormone secretion, but this appears to be an indirect effect 

and phosphate per se is not a significant regulator of this hormone.  

When calcium concentrations fall below the normal range, there is a steep increase in 

secretion of parathyroid hormone. Low levels of the hormone are secreted even when 

blood calcium levels are high.  

Disease States 

Excessive secretion of parathyroid hormone is seen in two forms:  

  Primary hyperparathyroidism is the result of parathyroid gland disease. 

  Secondary hyperparathyroidism is the situation where disease outside of the 

parathyroid gland leads to excessive secretion of parathyroid hormone. A 

common cause of this disorder is kidney disease. It can also result from 

inadequate nutrition - for example, diets that are deficient in calcium or vitamin 

D, or which contain excessive phosphorus. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

58

Inadequate production of parathyroid hormone - hypoparathyroidism - 

typically results in decreased concentrations of calcium and increased 

concentrations of phosphorus in blood. Common causes of this disorder include 

surgical removal of the parathyroid glands and disease processes that lead to 

destruction of parathyroid glands. 

2.  Vitamin D

3

  

Vitamin D is a fat-soluble steroid hormone precursor that contributes to the 

maintenance of normal levels of calcium and phosphorus in the bloodstream. It is 

also known as calciferol

Vitamin D

3

 is produced in the skin by conversion of 7-dehydrocholesterol by UV.  

Calciferol travels in the blood to the liver where it is converted into 25[OH] Vitamin 

D

3

. This compound travels to the kidney where it is converted into Calcitriol 

(1,25[OH]

2

 Vitamin D

3

). This final step is promoted by the PTH. 

Although called a vitamin, calciferol and its products fully qualify as hormones 

because they are: 

  Made in certain cells 

  Carried in the blood 

  Affect gene transcription in target cells 

Diseases 

Vitamin D deficiency is known to cause several bone diseases, due to insufficient 

calcium or phosphate in the bones: 

§ 

Rickets: a childhood disease characterized by failure of growth and deformity 

of long bones.  

§ 

Osteoporosis: a condition characterized by fragile bones.  

§ 

Osteomalacia: a bone-thinning disorder in adults that is characterised by 

proximal muscle weakness and bone fragility. Osteomalacia can only occur in 

a mature skeleton.  

3.  Calcitonin (discussed earlier) 

 
The following table summarizes body responses to conditions that would otherwise 
lead to serious imbalances in calcium and phosphate levels in blood 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

59

 

 

Calcium Deprivation 

Calcium Loading 

Parathyroid hormone 

Secretion stimulated 

Secretion inhibited 

Vitamin D 

Production stimulated by increased 
parathyroid hormone secretion 

Synthesis suppressed due to low parathyroid 
hormone secretion 

Calcitonin 

Very low level secretion 

Secretion stimulated high blood calcium 

Intestinal absorption 
of calcium 

Enhanced due to activity of vitamin D on 
intestinal epithelial cells 

Low basal uptake 

Release of calcium 
and phosphate from 
bone 

Stimulated by increased parathyroid 
hormone and vitamin D 

Decreased due to low parathyroid hormone and 
vitamin D 

Renal excretion of 
calcium 

Decreased due to enhanced tubular 
reabsorption stimulated by elevated 
parathyroid hormone and vitamin D; 
hypocalcemia also activates calcium 
sensors in loop of Henle to directly 
facilitate calcium reabsorption 

Elevated due to decreased parathyroid hormone-
stimulated reabsorption. 

Renal excretion of 
phosphate 

Strongly stimulated by parathyroid 
hormone; this phosphaturic activity 
prevents adverse effects of elevated 
phosphate from bone resorption 

Decreased due to hypoparathyroidism 

General Response 

Typically seen near normal serum 
concentrations of calcium and phosphate 
due to compensatory mechanisms. Long 
term deprivation leads to bone thining 
(osteopenia). 

Low intestinal absorption and enhanced renal 
excretion guard against development of 
hypercalcemia. 

Summary 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

60

Clinical Correlations 

A 48-year-old woman was admitted to the hospital because of weight loss, palpitation, 

weakness, and exophthalmos. She stated that a goiter, which had been present for years, 

had recently begun to enlarge. She was extremely irritable, could not tolerate heat and 

was short of breath. Physical examination revealed bilateral eyelid lag. The thyroid gland 

was diffusely enlarged, and a bruit was audible over the right lobe. Her heart was 

enlarged, a prominent apical thrust was noted, and there was a soft systolic heart murmur 

along the left sternal border. Laboratory examination revealed that the hemoglobin was 1.8 

mmol/L and that the hematocrit was 38%. The basal metabolic rate was 145% of normal. 

plasma T4 and T3 were grossly elevated, and the 

131

I  uptake by the thyroid gland was 

very high (18% in 4 hr). A diagnosis of hyperthyroidism was made. 

 

Biochemical questions: 

1.  What are T3 and T4, and how are they related to the thyroid gland? 

2.  How are TRH and TSH involved in the regulation of thyroid hormone production and 

secretion? 

3.  What is the mechanism of increased 

131

I  uptake in hyperthyroidism? 

 

T3 and T4, are the thyroid hormones, triiodothyronine and thyroxine, respectively. Both are 

tyrosine derivatives. Although lesser amounts of T3 are released by the thyroid gland, it 

has a more potent effect than T4 in producing the hyper metabolic effects of the thyroid 

hormones. T4 is converted to T3 in the target cells, and it is likely that T3, actually is the 

metabolically active form of the thyroid hormone. In this sense, T4 may be considered as a 

prohormone. 

 

TSH is released from-the anterior pituitary and stimulates T3 and T4 production and 

release. In turn, TSH release is stimulated by TRH, which is made in the hypothalamus. 

When the plasma T3 and T4 concentrations are elevated, TRH production and release are 

inhibited. This leads to decreased T3 and T4 release from the thyroid gland. 

 

T3 and T4 contain iodine atoms attached to their phenolic rings. Thyroglobulin, the protein 

precursor of these hormones that is contained in the thyroid cells, has many iodinated 

tyrosine residues. The iodine is obtained from iodide ions in the blood plasma, and the 

thyroid-cells have the capacity to take up and concentrate iodide ions. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

61

In hyperthyroidism the thyroid gland is rnore active than normal. It synthesizes more 

thyroglobulin, T3, and T4 and takes up much larger amounts of iodine than in the euthyroid 

(normal) state. Therefore, when 

131

I is administered to a hyperthyroid patient, a larger 

fraction of the dose is concentrated within the thyroid gland than in a euthyroid subject. 

This is useful clinically in two ways.  

1.  Small quantities of 

131

I can be administered as a diagnostic test of thyroid function. 

After administration, the radiation emanating from the thyroid grand can be 

measured at various times by placing a scanning device over the neck. Greater 

than normal uptakes occur in hyper thyroidism, and less than normal uptakes occur 

if the thyroid gland is hypo functioning (hypothyroidism).  

2.  The enhanced iodine uptake can be used to treat hyper thyroidism. If larger 

amounts of 

131

I  are administered, enough 

131

I  will concentrate in the thyroid to 

provide intense but localized radiation to the glandular cells. This will destroy many 

of the T3- and T4- producing cell, reducing the excessive function of the thyroid and 

correcting the hyperthyroidism.  

 

As compared with the thyroid, other tissues take up very little iodine. Consequently, most 

of the 

131

I that is not taken up by the thyroid is rapidly excreted in the urine, and there is 

comparatively little radiation exposure in other tissues. In some respects this is a safer 

form of treatment than surgical removal of a large portion of he hyperactive grand. It is not 

without some danger, however, for 

131

I  treatment can lean in some cases to either 

hypothyroidism or even thyroid cancer. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

62

Lecture 

6

 

 

Thursday 

8

/

3

/2012 

Biochemistry and Disorders of Hormones of the Pancreas

 

The bulk of the pancreas is an exocrine gland secreting pancreatic fluid into the duodenum 

after a meal. 

 

However, scattered through the pancreas are several hundred thousand clusters of cells 

called islets of Langerhans. The islets are endocrine tissue containing four types of cells. 

In order of abundance, they are the:  

1. 

beta cells, which secrete insulin and amylin.  

2. 

alpha cells, which secrete glucagon;  

3. 

delta cells, which secrete somatostatin, and  

4. 

gamma cells, which secrete pancreatic polypeptide (PP).  

 

Beta Cells 

Insulin is a small protein consisting of  

 

an alpha chain of 21 amino acids linked by two disulfide (S

—S) bridges to a  

 

beta chain of 30 amino acids. 

Beta cells have channels in their plasma membrane that serve as glucose detectors. Beta 

cells secrete insulin in response to a rising level of circulating glucose ("blood sugar").  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

63

Gluconeogenesis

 

Glucogenolysis

  

Lipolysis

 

Ketogenesis

 

Proteolysis

 

Uptake of ions (especially 

K

+

 and PO

4

-3

 

Protein synthesis

 

Glycogen synthesis

 

Glycolysis

 

Glucose uptake in muscle 

and adipose tissue

 

Insulin

  

 

 

 

 

 

 

 

Insulin affects many organs.  

1. 

It stimulates skeletal muscle fibers to  

 

take up glucose and convert it into glycogen;  

 

Take up amino acids from the blood and convert them into protein.  

2. 

acts on liver cells  

 

stimulating them to take up glucose from the blood and convert it into glycogen  

 

inhibiting production of the enzymes involved in breaking glycogen back down 

("glycogenolysis") and  

 

inhibiting "gluconeogenesis"; that is, the conversion of fats and proteins into glucose.  

3. 

acts on fat (adipose) cells to stimulate the uptake of glucose and the synthesis of fat.  

4. 

acts on cells in the hypothalamus to reduce appetite. 

Actions of Insulin 

Metabolic process 

Reaction  

consequence 

glycogenesis 

Glucose to Glycogen 

(-) Blood glucose 

glycogenolysis 

Glycogen to Glucose 

(+) Blood glucose 

gluconeogenesis 

Amino acids to Glucose 

(+) Blood glucose 

Protein synthesis 

Amino acids to protein 

(-) Blood amino acids 

Protein degradation 

Protein to Amino acids 

(+) Blood amino acids 

Fat synthesis (lipogenesis or 

triglyceride synthesis 

Fatty acids and glycerol to 

triglycerides 

(-) Blood fatty acids 

Fat breakdown (lipolysis or 

triglycerides degradation 

Triglycerides to Fatty acids and 

glycerol 

(+) Blood fatty acids 

(-) decrease in 

(+) increase in 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

64

Amylin 

Amylin is a peptide of 37 amino acids, which is also secreted by the beta cells of the 

pancreas.  

Some of its actions:  

 

inhibits the secretion of glucagon;  

 

slows the emptying of the stomach;  

 

sends a satiety signal to the brain. 

Amylin (IAPP) was identified independently by two groups as the major component of 

diabetes-associated islet amyloid deposits in 1987 

 

Alpha Cells 

The alpha cells of the islets secrete glucagon, a polypeptide of 29 amino acids.  

Glucagon acts principally on the liver where it stimulates the conversion of  

 

glycogen into glucose ("glycogenolysis") and  

 

fat and protein into intermediate metabolites that are ultimately converted into 

glucose ("gluconeogenesis") 

In both cases, the glucose is deposited in the blood.  

Glucagon secretion is  

 

stimulated by low levels of glucose in the blood;  

 

inhibited by high levels of glucose in the blood, and  

 

inhibited by amylin.  

The physiological significance of this is that glucagon functions to maintain a steady level 

of blood sugar level between meals.  

Delta Cells 

The delta cells secrete somatostatin. This consists of two polypeptides, one of 14 amino 

acids and one of 28.  

Somatostatin has a variety of functions. Taken together, they work to reduce the rate at 

which food is absorbed from the contents of the intestine.  

Somatostatin is also secreted by the hypothalamus and by the intestine.  

Gamma Cells 

The gamma cells of the islets secrete a 36-amino-acid pancreatic polypeptide.  Its function 

is to self regulate the pancreas secretion activities . it also has effects on hepatic glycogen 

levels and gastrointestinal secretions. 

Its secretion human is increased after a protein meal, fasting, exercise and acute 

hypoglycemia and is decreased by somatostatin.,.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

65

Synthesis and release of insulin and glucagon 

Insulin  and glucagon are synthesized  in different cell  types of  the  endocrine  pancreas,  which 

consists of microscopic clusters of small glands (the islets of Langerhans) . The 

α cells secrete 

glucagon, and the 

β cells secrete insulin into the hepatic portal vein via the pancreatic veins. 

  Synthesis and secretion of Insulin 

Insulin is a polypeptide hormone. The active form of ins ulin is composed of two polypeptide 

chains (the A-chain and the B-chain) linked by two interchain disulfide bonds. The A-chain has 

an additional intrachain disulfide bond. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Insulin,  like  many  other  polypeptide  hormones,  is  synthesized  as  a  preprohormone  that  is 

converted in the rough endoplasmic reticulum (RER) to proinsulin. The "pre" sequence, a short 

hydrophobic signal  sequence  at  the  N-terminal  end,  is  cleaved  as  it  enters  the  lumen  of  the 

RER. Proinsulin  folds into  the proper conformation and disulfide  bonds  are  formed  between 

the cysteine residues. It is then transported in microvesicles to the Golgi complex. It leaves 

the  Golgi  complex  in  storage vesicles,  where a protease removes the C-peptide (a fragment 

with no hormonal activity) and a few small remnants, resulting in the formation of biologically 

active  insulin. Zinc  ions  are  also  transported  in these  storage vesicles.  Cleavage  of  the  C-

peptide  decreases  the  solubility  of  the  resulting  insulin,  which  then  coprecipitates  with  zinc. 

Exocytosis  of  the  insulin  storage  vesicles  from  the  cytosol  of  the 

β  cell  into  the  blood  is 

stimulated by rising levels of glucose in the blood bathing the 

β cells. 

Glucose  enters  the 

β  cell  via  specific  glucose  transporter  proteins  known  as  GLUT2. 

Glucose is phosphorylated through the action  of glucokinase to form glucose 6-phosphate, 

which  is  metabolized  through  glycolysis,  the  TCA  cycle,  and  oxidative  phosphorylation. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

66

These  reactions  result  in an  increase 

in ATP levels within the 

β cell. As the β 

cell  [ATP|/  [ADP]  ratio  increases,  the 

activity  of  a  membrane-bound,  ATP-

dependent K

+

 channel is inhibited (i.e., 

the channel is closed). The closing of 

this  channel  leads  to  a  membrane 

depolarization,  which  activates  a 

voltage-gated 

Ca

2+

 

channel 

that 

allows Ca

+

 to enter the 

β cell such that 

intracellular  Ca

2+

  levels  increase 

significantly.  The  increase  in  intra-

cellular  Ca

2+

  stimulates  the  fusion  of 

insulin  containing  exocytotic  vesicles  with  the  plasma  membrane,  resulting  in  insulin 

secretion. Thus, an increase in glucose levels within the 

β cells initiates insulin release. 

  Stimulation and inhibition of insulin release 

The release of insulin occurs within minutes after the pancreas is exposed to a high  glucose 

concentration. The threshold for insulin release is approximately 80 mg/glucose /dL. Above 

80 mg/dL, the rate of insulin release is not an all-or-nothing -response but is proportional to 

the glucose concentration up to approximately 300 mg/dL glucose. As insulin is secreted, 

the  synthesis  of  new  insulin  molecules  is  stimulated,  so  that  secretion  is  maintained  until 

blood glucose levele fall. Insulin is rapidly removed from the circulation and degraded by the 

liver and to a lesser extent by kidney and skeletal muscle) so that blood insulin levels decrease 

rapidly 

A number of factors other than the blood glucose concentration can modulate insulin such 

as: 

1.  neural signals 

2.  certain amino acids  

3.  gastric inhibitory polypeptide (GIP, a gut hormone released after the ingestion of 

food) 

4.  epinephrine secreted in response to fasting, stress, trauma and vigorous exercise 

decrease the release of insulin 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

67

 

  Synthesis and secretion of Glucagon 

Glucagon a polypeptide hormone, is synthesized in the 

α cells of the pancreas by cleavage 

of the much larger preproglucagon, a 160-amino acid peptide. Like insulin preproglucagon 

is produced on the rough endoplasmic reticulum and is converted to proglucagon as it enters 

the ER lumen. Proteolytic cleavage at various sites produce the  mature 29-amino acid 

glucagon and larger glucagon-containing fragments (named glucagon-like peptides  I  and 

2). Glucagon is rapidly metabolized, primarily in the liver and kidneys. Its plasma half-life is only 

about 3 to 5 minutes. 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                Insulin  

 

Glucagon   Epinephrine 

Glucagon secretion is regulated principally by circulating levels of glucose and insulin. 

Increasing levels of each inhibit glucagon release. Glucose probably has both a direct 

suppressive effect on secretion of glucagon from the 

α cell as well as an indirect effect, the latter 

being mediated by its ability to stimulate the release of insulin.  

 

Certain hormones stimulate glucagon secretion. : 

1)  catecholamines (epinephrine) 

2)  cortisol 

3)  gut hormones 

4)  Many amino acids also stimulate glucagon release. 

Metabolic effects of glucagon 

1. Effects on carbohydrate metabolism: The intravenous administration of glucagon leads to an immediate 

rise in blood glucose. This results from an increase in the breakdown of liver (not muscle) glycogen and 

an increase in gluconeogenesis. 

2. Effects on lipid metabolism: Glucagon favors hepatic oxidation

 OF 

fatty acids and the 

subsequent formation of ketone bodies acetyl CoA. The lipolytic effect of glucagon in adipose 

tissue is minimal in humans. 

Glycogenolysis 

Gluconeogenesis 

Glycogenolysis 

Gluconeogenesis 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

68

3. Effects on protein metabolism: Glucagon increases uptake of amino acids by the liver, 

resulting in increased availability of carbon skeletons for gluconeogenesis. As a 

consequence plasma levels of amino acids are decreased. 

DIABETES MELLITUS: 

This  is  a  metabolic  disorder  occurring  as  a  result  of  an  insulin  lack  or  a  surplus  of  insulin 

antagonists  leading  to  a  relative  insulin  lack.  It  is  characterized  by  hyperglycemia  and 

glucosuria. Three types of the disease are described- 

1.   Juvenile type (type 1)

 in children and is due to an absolute deficiency of insulin. 

2. Maturity onset type

: It is usually associated with obesity. A form of diabetes known as 

MODY  (maturity  onset  diabetes  of  the  young)  results  from  mutations  in  either 

pancreatic glucokinase or specific nuclear transcription factors. Thus, although these 

patients can release insulin, they do so at higher than normal glucose levels, and are 

therefore  almost  always  in  a  hyperglycemic  state.  Interestingly,  however,  these 

patients  are  somewhat  resistant  to  the  long-term  complications  of  chronic 

hyperglycemia. 

3. Secondary diabetes:

 There is hyperfunction of one or other of insulin anatgonists leading to 

a  relative  insufficiency  of  insulin  eg:  acromegaly  (excess  of  growth  hormone);  Cushing's 

disease (excess of glucocorticoids); hyperthyroidism etc. 

Glucagon is one of the contributory factors in the etiology of diabetes mellitus. Its blood levels 

are elevated in severe diabetes with ketoacidosis. The 

α cells seem to be insensitive to the high 

blood glucose levels in diabetes and continue to secrete large amounts of glucagon. 

Somatostatin, a hypothalamic factor inhibiting the release of growth hormone, also inhibits the 

release  of  glucagon  and  is  in  experimental  use  as  an  adjunct  to  insulin  in  the  control  of 

severe diabetes mellitus. 

4. Type 2 diabetes:

 a combination of insulin resistance and dysfunctional 

β

 cells. 

Insulin  resistance:

  Is  the  decreased  ability  of  target  tissues,  such  as  liver  adipose  and 

muscle  to  respond  properly  to  normal  circulating  concentrations  of  insulin.  For  example  , 

insulin resistance is characterized by uncontrolled hepatic glucose production and decreased 

glucose uptake by muscle and adipose tissue. 

In a moderately severe early diabetes mellitus the following features are present- 

1.    Hyperglycemia. 

2.    Glycosuria. 

3.    Loss of weight due to increased breakdown of fat and tissue protein. 

4.  Increased  production  of  ketone  bodies  by  the  liver  and  their  incomplete  utilization  by 

tissues leading to their accumulation in blood (ketosis) and elimination in urine (ketonuria). 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

69

5.    Lowering of the pH of blood due to circulating keto acids (acidosis). 

6.   Dehydration due to elimination of large amounts of water with glucose in urine. 

7.  Negative  nitrogen  balance  due  to  conversion  of  more  amino  acids  into  glucose 

(increased gluconeogensis). 

8.    Increased levels of lipid, fatty, acid and cholesterol in blood (lipemia). 

9. Increased tendency to develop cataract in the eye and arteriosclerotic lesions of blood 

vessels. 

Hyperinsulinism; This may occur on account of islet-cell tumors involving the 

β-cells. There is 

overproduction of insulin resulting in spontaneous attacks of hypoglycemia associated with 
sweating, and fainting attacks which are relieved by ingestion of glucose or a lump of sugar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

70

 
 

Insulin and Glucagon receptors 

1.  Insulin Receptor 

 

Insulin Binding to it's Receptor Followed by Activation of the Receptor: 

1. 

Insulin binds switching ON the receptor. Once the receptor is ON (catalytically active) 

insulin may disaccociate and be degraded. 

2. 

The Tyr Kinase domain is phosphorylated. 

3. 

A "cascade" of events takes place (see below). 

4. 

Biochemical / Physiological Responses: 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

71

 

2.  Glucagon Receptor  

 

Representative pathway for the activation of cAMP-dependent protein kinase, PKA. In this 

example glucagon binds to its' cell-surface receptor, thereby activating the receptor. 

Activation of the receptor is coupled to the activation of a receptor-coupled G-protein 

(GTP-binding and hydrolyzing protein) composed of 3 subunits. Upon activation the 

α-

subunit dissociates and binds to and activates adenylate cyclase. Adenylate cylcase then 

converts ATP to cyclic-AMP (cAMP). The cAMP thus produced then binds to the 

regulatory subunits of PKA leading to dissociation of the associated catalytic subunits. The 

catalytic subunits are inactive until dissociated from the regulatory subunits. Once released 

the catalytic subunits of PKA phosphorylate numerous substrate using ATP as the 

phosphate donor 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

72

Clinical cases and correlations 
 
Insulinoma 
 
A 36-year-old woman was referred to a university hospital for evaluation of spells of 

dizziness and weakness. These spells typically lasted for 10 min and were occurring with 

increasing frequency. The spells usually came on after a large meal and could be 

terminated by her eating candy or drinking fruit juice. After each episode the patient was 

hungry and tired, and her memory was blurred. The patient's physical examination was 

within normal limits except for mild obesity. She claimed to have gained 20 kg during the 

preceding 2 yr. After a 13-hr fast her blood glucose concentration was 2.1 mmollL. After a 

5-hr glucose tolerance test, her blood glucose was 2.6 mmol/L. 

Celiac angiography revealed an abnormality in the body and tail of the pancreas. The 

patient developed one of her spells while a medical student was in her room, and he was 

able to obtain a blood sample during the episode. This sample contained 1.1mmol/L of 

glucose. The patient was transferred to the surgical service, and an insulin-secreting 

pancreatic adenoma (tumor) was removed, requiring resection of 90% of the pancreas. 

 
Biochemical questions 

1.  An insulinoma is an insulin-secreting tumor. How did the presence of such a tumor 

explain the patient's symptoms? 

2.  Proinsulin was found in large quantities in this patient's plasma. What is the 

relationship of proinsulin to insulin? What is preproinsulin? 

3.  What effects of increased insulin secretion might have predisposed this woman to 

obesity? 

4.  What digestive problems might result from excision of 90% of the pancreas? 

The insulinoma was producing insulin. Because of the excessive amount of insulin- 

secreting tissue, too much insulin was released after dietary carbohydrate intake. This 

caused hypoglycemia during the 5-hr glucose tolerance test and after meals, producing 

the spells of weakness and dizziness. In addition, to this normal insulin release when 

carbohydrate was ingested, the tumor also was secreting some insulin continuously. 

This inappropriate insulin release caused the low blood glucose concentration during 

prolonged fasting. 

Proinsulin is the prohormone form of insulin that is made in the 

β

-cells of the pancreatic 

islets. It has no insulin-like action. After synthesis on the ribosomes, the initial precursor, 

preproinsulin, penetrates through the endoplasmic reticulum into the lumen of this 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

73

organelle. The leader sequence is removed in this process, forming proinsulin, which is 

transported to the Golgi apparatus and stored in granules. 

Proinsulin is converted to insulin in these granules by proteolytic cleavage, but the 

conversion is incomplete. When insulin is discharged from the 

β

-cell, some proinsulin that 

remains in the granule also is released. Likewise, C-peptide that is split out in the 

conversion of proinsulin to insulin is released during insulin secretion, but it too, has no 

insulin-like activity. 

Insulin acts on adipocytes, enhancing fatty acid storage as triglyceride. It binds to specific 

receptors on the cell surface and facilitates glucose entry into the adipocyte, increasing the 

availability of the triose backbone, glycerol 3-phosphate, needed for triglyceride synthesis. 

This also provide glucose carbon atoms for fatty acid syntesis. 

In addition, it increases the content of lipoprotein lipase in the adipose tissue. This enzyme 

catalyzes the hydrolysis of chyromicron and VLDL triglycerides, a step that is required to 

transfer their fatty acids into the adipocytes for resynthesis into triglyceride. Much of the 

fatty acid stored in the adipose tissue is delivered to the adipocytes in the form of 

lipoprotein triglycerides, either VLDL from the liver or chylomicrons from the intestine. 

Therefore the elevated lipoprotein lipase activity also favors triglyceride formation in the 

adipose tissue. Those adipose tissue effects that were mediated by the excessive insulin 

production could have contributed to he recent weight gain noted by this patient. 

In addition to polypeptide hormones, the pancreas making many digestive enzymes. 

These include amylase for dietary starches, lipase for triglycerides, chymotrypsin and 

trypsin for proteins, as well as several others. Since 90%, of the pancrease was excised, 

the remaining 10% may not produce sufficient amounts of these enzymes to adequately 

digest large meals. This might lead to malnutrition and weight toss in spite of an adequate 

diet. Because of this possibility, six or more smaller meals rather than three regular meals 

each day might be recommended. 

 
Question: Binding of insulin to its receptor: 

a)  Occurs on the 

ß-subunit. 

b)  Induces autophosphorylation. 
c)  Reduces binding of cytosolic substrate proteins. 
d)  Leads only to phosphorylation of proteins. 
e)  Does not lead to release of a second messenger. 

 
Answer

B This occurs on tyrosine residues of the 

ß-subunit. A: Binding is to the α-

subunit. C: Autophosphorylation facilitates binding. D: Some proteins are 
dephosphorylated. E: A second messenger may account for short-term metabolic effects. 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

74

 
 
 

 

 

Hormones of the 

adrenal gland

 

[Prof. Dr. H.D.El-Yassin 2012 

1. 

Hormones of the adrenal cortex

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

75

Lecture 7  

Sunday 11/3/2012 

 
Hormones of the adrenal gland 

 

The structure of the adrenal gland 

 

The two adrenal glands (also called the suprarenal glands) are situated in the abdomen, 

on either side of the vertebral column, above the kidneys and below the diaphragm

When cut in half each gland consists of 

1. 

An outer cortex, yellow in color and 

 

2. 

An inner medulla, which is dark red, or grey

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

76

 

The cortex consists of three distinct zones 

1. 

Zona glomerulosa

 

2. 

Zona fasciculata

 

3. 

Zona reticularis  

 

Each zone has a characteristic histology and secretes different types of hormones

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
Layer
 

 
Name
 

 
Primary product
 

Most 
superficial 
cortical 
layer 

Zona 
glomerulosa

 

 

mineralocorticoid (aldosterone) which is responsible for the 
regulation of salt and water balance in the body

 

Middle 
cortical 
layer 

Zona 
fasciculata

 

 

glucocorticoid (cortisol) which regulates the level of 
carbohydrate in the body

 

Deepest 
cortical 
layer 

Zona 
reticularis  

 

 

sex hormones (progesterone, oestrogen precursors and 
androgens) which have a role in the development of sexual 
characteristics

  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

77

 
 
 
The medulla consists of many large columnar cells called "chromaffin cells". These 
synthesize and secrete catecholamines

 when stimulated by the sympathetic nervous 

system.

 

 
 
Hormone synthesis 

All adrenocortical hormones are synthesized from cholesterol. Cholesterol is transported 

into the adrenal gland. Subsequent steps to generate aldosterone and cortisol, primarily 

occur in the adrenal cortex: 

 

Progesterone 

→ (hydroxylation at C21) → 11-Deoxycorticosterone → (two further 

hydroxylations at C11 and C18) 

→ Aldosterone  

  Progesterone → (hydroxylation at C17) → 17-alpha-hydroxyprogesterone 

→ 

(hydroxylation at C21) 

→ 11-Deoxycortisol → (hydroxylation at C11) → Cortisol 

 
Cholesterol is converted to pregnenolone (P5) by cytochrome P450 cholesterol side 

chain cleavage . P5 is the precursor of all the other steroids and stands at the first 

branch point in the adrenal steroidogenic network 

Steroidogenic defects can cause congenital adrenal hyperplasia (CAH). This condition 

may cause symptoms ranging from mild acne to salt wasting, depending on the nature of 

the genetic mutation. 

In hypoandrenocorticism (Addison's disease) and CAH the error involves the two 

enzymes cytochrome P450 17a-hydroxylase/17-20 lyase and cytochrome P450 21-

hydroxylase respectively.  

Because of a lack of the glucocorticoids and mineralocorticoids the brain signals the 

adrenal gland with adrenocorticotrophic hormone (ACTH) to produce more of the deficient 

steroids. Consequently, there is an over production of P5 that in turn leads to an over 

production of DHEA, which is converted to androgens and estrogens outside of the 

adrenal gland due to the DHEA in circulation diffusing into other steroidogenic tissues with 

the appropriate activities. 

Hormones secreted by the Adrenal Cortex 

1.  Mineralocorticoids 

The primary mineralocorticoids aldosterone is 

aldosterone

. Its 

secretion is regulated by the 

oligopeptide

 

angiotensin II

 

(angiotensin II is regulated by 

angiotensin I

, which in turn is 

regulated by 

renin

). Aldosterone is secreted in response to high 

extracellular

 

potassium

 levels, low extracellular 

sodium

 levels, 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

78

and low fluid levels and blood volume. Aldosterone affects 

metabolism

 in different ways: 

a.  It increases 

urinary

 excretion of potassium 

ions

  

b.  It increases interstitial levels of sodium ions  

c.  It increases water retention and blood volume 

Removal of the adrenal glands leads to death within just a few days. Due to: 

1. 

the concentration of potassium in extracelluar fluid becomes dramatically elevated 

2. 

urinary excretion of sodium is high and the concentration of sodium in extracellular 

fluid decreases significantly 

3. 

volume of extracellular fluid and blood decrease 

4. 

the heart begins to function poorly, cardiac output declines and shock ensues 

Clearly mineralocorticoids are acutely critical for maintenance of life!  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

79

Aldosterone and Mineralocorticoid 
Receptors 
Cortisol, have "weak mineralocorticoid 

activity", which is of some importance 

because cortisol is secreted very much 

more abundantly than aldosterone. i.e. a 

small fraction of the mineralocorticoid response in the body is due to cortisol rather than 

aldosterone.  

The mineralocorticoid receptor binds both aldosterone and cortisol with equal affinity. 

Moreover, the same DNA sequence serves as a 

hormone response element

 for the 

activated (steroid-bound) forms of both mineralocorticoid and glucocorticoid receptors.  

Q: 

How can aldosterone stimulate specific biological effects in this kind of 

system, particularly when blood concentrations of cortisol are something like 2000-

fold higher than aldosterone?  

A: 

In aldosterone-responsive cells, cortisol is effectively destroyed, allowing 

aldosterone to bind its receptor without competition. Target cells for aldosterone express 

the enzyme 11-beta-hydroxysteroid dehydrogenase, which has no effect on aldosterone, 

but converts cortisol to cortisone, which has only a very weak affinity for the 

mineralocorticoid receptor. In essence, this enzyme "protects" the cell from cortisol and 

allows aldosterone to act appropriately.  

 

An interesting demonstration of this enzyme protection system is seen in chronic licorice 

intoxication. The major components of licorice are glycyrrhizic acid and its hydrolytic 

product, glycyrrhetinic acid (GE). GE is a potent inhibitor of 11

ß-hydroxysteroid 

dehydrogenase. By blocking the activity of this inactivating enzyme. GE facilitates the 

binding of cortisol to renal mineralocorticoid receptors and hence induces AME syndrome 

(Apparent  Mineralocorticoid Excess Syndrome). 

 

Control of Aldosterone Secretion 

The two most significant regulators of aldosterone secretion are:  

 

Concentration of potassium ions in extracellular fluid: Small increases in blood 

levels of potassium strongly stimulate aldosterone secretion. 

 

Angiotensin II: Activation of the renin-angiotensin system as a result of decreased 

renal blood flow (usually due to decreased vascular volume) results in release of 

angiotensin II, which stimulates aldosterone secretion. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

80

Factors which suppress aldosterone secretion include atrial naturetic hormone, high 

sodium concentration and potassium deficiency.  

 

Disease States: A deficiency in aldosterone can occur by itself or, more commonly, in 

conjunction with a glucocorticoid deficiency, and is known as hypoadrenocorticism or 

Addison's disease 

2.  Glucocorticoids 

Cortisol and Glucocorticoid Receptors 

Cortisol binds to the glucocorticoid receptor in the 

cytoplasm and the hormone-receptor complex is then 

translocated into the nucleus, where it binds to its DNA 

response element and modulates transcription from a 

battery of genes, leading to changes in the cell's 

phenotype.  

Only about 10% of circulating cortisol is free. The remaining majority circulates bound to 

plasma proteins, particularly corticosteroid-binding globulin (transcortin).  

 

Metaboilc Effects of Glucocorticoids 

There seem to be no cells that lack glucocorticoid receptors and as a consequence, these 

steroid hormones have a huge number of effects on physiologic systems.  

The name glucocorticoid derives from early observations that these hormones were 

involved in glucose metabolism.  

Cortisol stimulates several processes that collectively serve to increase and maintain 

normal concentrations of glucose in blood. These effects include:  

 

Stimulation of gluconeogenesis, particularly in the liver: This pathway results in 

the synthesis of glucose from non-hexose substrates such as amino acids and 

lipids . Enhancing the expression of enzymes involved in gluconeogenesis is 

probably the best known metabolic function of glucocorticoids.  

 

Mobilization of amino acids from extrahepatic tissues: These serve as 

substrates for gluconeogenesis.  

 

Inhibition of glucose uptake in muscle and adipose tissue: A mechanism to 

conserve glucose.  

 

Stimulation of fat breakdown in adipose tissue: The fatty acids released by 

lipolysis are used for production of energy in tissues like muscle, and the released 

glycerol provide another substrate for gluconeogenesis.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

81

Control of Cortisol Secretion 

Cortisol and other glucocorticoids are secreted in response to a single stimulator: 

adrenocorticotropic hormone (ACTH) from the anterior pituitary. ACTH is itself 

secreted under control of the hypothalamic peptide corticotropin-releasing hormone 

(CRH).   

Virtually any type of physical or mental stress 

results in elevation of cortisol concentrations in 

blood due to enhanced secretion of CRH in the 

hypothalamus. This fact sometimes makes it very 

difficult to assess glucocorticoid levels, especially 

being restrained for blood sampling, is enough 

stress to artificially elevate cortisol levels several 

fold!  

Cortisol secretion is suppressed by classical 

negative feedback loops. When blood 

concentrations rise above a certain threshold, 

cortisol inhibits CRH secretion from the 

hypothalamus, which turns off ACTH secretion, 

which leads to a turning off of cortisol secretion from 

the adrenal. The combination of positive and negative control on CRH secretion results in 

pulsatile secretion of cortisol. Typically, pulse amplitude and frequency are highest in the 

morning and lowest at night.  

ACTH, also known as corticotropin, binds to receptors in the plasma membrane of cells in 

the adrenal. Hormone-receptor engagement activates adenyl cyclase, leading to elevated 

intracellular levels of cyclic AMP which leads ultimately to activation of the enzyme 

systems involved in biosynthesis of cortisol from cholesterol.  

 

Disease States 

1.  Cushings disease or hyperadrenocorticism.  

2.  Insufficient production of cortisol, often accompanied by an aldosterone deficiency, 

is called Addison's disease or hypoadrenocorticism. 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

82

3.  Androgens 

The most important androgens include: 

1.  Testosterone: a hormone with a wide variety of effects, ranging from enhancing 

muscle mass and stimulation of cell growth to the development of the secondary 

sex characteristics.  

2.  Dihydrotestosterone (DHT): a metabolite of testosterone, and a more potent 

androgen than testosterone in that it binds more strongly to androgen receptors.  

3.  Androstenedione (Andro): an androgenic steroid produced by the testes, adrenal 

cortex, and ovaries. While androstenediones are converted metabolically to 

testosterone and other androgens, they are also the parent structure of estrone.  

4.  Dehydroepiandrosterone (DHEA): It is the primary precursor of natural estrogens. 

DHEA is also called dehydroisoandrosterone or dehydroandrosterone.  

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

83

 
 
 

 

[Hormones of the 

Adrenal Gland] 

[Prof.Dr.H.D.El-Yassin] 

2.  Hormones of the adrenal Medulla

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

84

 
 
Hormones secreted by the Adrenal Medulla 
 

Cells in the adrenal medulla synthesize and secrete epinephrine and norepinephrine

Following release into blood, these hormones bind adrenergic receptors on target cells, 

where they induce essentially the same effects as direct sympathetic nervous stimulation.  

Synthesis Catecholamines 

Synthesis of catecholamines begins with the amino acid tyrosine, which is taken up 

by chromaffin cells in the medulla and converted to norepinephrine and epinephrine 

through the following steps:  

 

 

Norepinephine and epinephrine are stored in electron-dense granules which also contain 

ATP and several neuropeptides. Secretion of these hormones is stimulated by 

acetylcholine release. Many types of "stresses" stimulate such secretion, including 

exercise, hypoglycemia and trauma. Following secretion into blood, the catecholamines 

bind loosely to and are carried in the circulation (50%)  by albumin  and other serum 

proteins. Once secreted their half life in the circulation is short (approximately 12 min) but 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

85

they have a large effect on heart, vessels, metabolism, brain, muscles etc. all as part of 

stress responses.  

 

Adrenergic Receptors and Mechanism of Action 

The physiologic effects of epinephrine and norepinephrine are initiated by their binding to 

adrenergic receptors on the surface of target cells. These receptors are prototypical 

examples of seven-pass transmembrane proteins that are coupled to G proteins which 

stimulate or inhibit intracellular signaling pathways.  

 

There are two major classes of adrenergic receptors these are: 

1. 

α adrenergic receptor (epinephrine and norepinephrine) 

a. 

α

1

 

b. 

α

2

 

2. 

β adrenergic receptor (epinephrine ) 

a. 

β

1

 

b. 

β

2

 

Control of catecholamine release 

The release of the catecholinamines is controlled from nerve cells within the posterior 

hypothalamus which can ultimately stimulate acetylcholine release from nerve terminals of 

the sympathetic nerves. This induces depolarization of the chromaffin cells and exocytosis 

of the catecholamine containing granules following a rise in intracellular calcium 

concentration.  

Metabolic  Effects of catecholamines Hormones 

 

In general, circulating epinephrine and norepinephrine released from the 

adrenal medulla have the same effects on target organs as direct stimulation 

by sympathetic nerves, although their effect is longer lasting.  

 

glycogenolysis to provide extra sources of glucose  

 

Stimulation of lipolysis in fat cells to provided fatty acids for energy production in 

many tissues and aids in conservation of dwindling reserves of blood glucose.  


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

86

 

Increased metabolic rate due to increased oxygen consumption and heat 

production increase throughout the body in response to epinephrine binding beta 

receptors.  

 

Increased breakdown 

of glycogen in skeletal 

muscle to provide 

glucose for energy 

production.  

Water and electrolytes 

metabolism  

 

Decreased sodium 

excretion and glomerular 

filtration due to direct effects on the kidney  

 

effects on renin secretion leads to increased aldosterone production with effects on 

distal sodium handling  

 

Serum potassium may be increased   

Catecholamine Degradation 
All catecholamines are rapidly eliminated from target cells and the circulation by three 
mechanisms: 

1.  reuptake into secretory vesicles 
2.  uptake in non-neural cells (mostly liver) 
3.  degradation. 

Degradation relies on two enzymes: 

1.  catechol O-methyltransferase (COMT) in non-neuronal tissues  
2.  and  monoamine oxidase (MAO) within neurons.  

 
to produce metabolites (metanephrines and vanillylmandelic acid (VMA)) from free 
catecholamines.  
 
Metabolites and free catecholamine are eliminated by direct filtration into the urine and 
excreted as:  

1)  free norepinephrine,   
2)  conjugated norepinephrine 
3)  metanephrines and 
4)  VMA  

 
Urine epinephrine (50%) is converted from norepinephrine by renal (not adrenal) 
phenylethanolamine N-methyltransferase (PNMT) before excretion.  
 
 
 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

87

 

Clinical cases and Correlations: 

Cushing's syndrome 

A 35-year-old man was admitted to the hospital because of irritability and emotional lability 

together with muscle weakness and easy fatigability. Physical examination revealed that 

his trunk was obese but his arms and legs were quite lean. He had a rounded facial 

appearance and a small, nontender hump at the junction of his neck and back. Fullness 

was noted in the supraclavicular regions, and purple striae were present in the subaxillary 

areas. Laboratory examination revealed that the plasma cortisol concentration was 

elevated (0.55 mmol/L), the fasting blood glucose was 8.3 mmol/L, and the urinary 

excretion of 11-hydroxyandrosterone and 11-hydroxyetiocholanolone were greatly 

increased. A diagnosis of Cushing's syndrome was made. 

Biochemical questions 

1.  From what substance is cortisol synthesized? 

2.  How is cortisol synthesis regulated? 

3.  How is cortisol transported in the blood plasma? 

4.  What are the metabolic effects of cortisol in humans? 

5.  How does cortisol function at the molecular level? 

6.  How are 11-hydroxyandrosterone and 11-hydroxyetiocholanolone related to cortisol 

and why were they excreted in increased amounts in this patient's urine? 

7.  Would you expect that excessive quantities of vanillylmandelic acid (VMA) also 

would be excreted in this patient's urine? 

Case discussion: 

Cortisol, the main glucocorticoid hormone in humans, is synthesized in the zona 

fasciculata of the adrenal cortex. Cholesterol is the precursor of cortisol as well as of the 

approximately 50 other steroids that can be isolated from the adrenal cortex. Most of the 

cholesterol used for steroid hormone synthesis is taken up from plasma lipoproteins and 

stored in the adrenal cortical cells as cholesteryl esters.  Progesterone is the common 

intermediate in steroid hormone synthesis. 

Regulation of synthesis cortisol synthesis is regulated by ACTH, a polypeptide hormone 

secreted by the anterior pituitary gland. ACTH release, in turn, is stimulated by CRH, 

produced in the hypothalamus. Cortisol production is decreased by high concentrations of 

plasma cortisol or ACTH, both of which inhibit CRH release. ACTH stimulates cortisol 

production by activating the hydrolysis of cholesteryl esters through a cAMp-dependent 

mechanism. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

88

 

Transport Like the other steroid hormones, cortisol is transported in the blood by a 

specific carrier protein, transcortin. This protein is a plasma globulin hat is synthesized in 

the liver. It also transports corticosterone, the other major glucocoricoiod produce by the 

adrenal cortex. 

 

Metabolic effects One of the main metabolic effects of the glucocorticoid hormones is to 

raise the blood glucose concentration by stimulating gluconeogenesis. Body proteins are 

catabolized to provide the amino acid substrates for gluconeogenesis, leading to 

decreases in muscle mass and weakness. Glucocorticoids operate through a 

transcriptional mechanism. This involves binding of the hormone to cytoplasmic protein 

receptors and transport of the steroid-receptor complex into the cell nucleus. 

Once inside the nucleus, it activates the transcription of mRNA, which is specific for the 

synthesis of these amino acid catabolic enzymes. The glucocorticoids have additional 

actions, such as indirectly facilitating the stimulation of lipolysis, and destruction of 

lymphocytes. 

 

Catabolism and excretion Cortisol is metabolized  and the l7-keto metabolites of cortisol 

are 1l-hydroxyandrosterone and 11-hydroxyetiocholanolone. Almost all the cortisol 

metabolites are excreted in the urine. Since cortisol is overproduced in Cushing's 

syndrome, it is understandable that these two cortisol metabolites are excreted in 

excessive amounts. . 

VMA is the main urinary excretion product of the catecholamines. It is elevated in diseases 

associated with excessive catecholamine production, such as pheochromcytoma. If a 

tumor of the adrenal medulla or other chromaffin tissue is present, VMA excretion would 

be increased. Cushing's disease results from overproduction of glucocorticoids by the 

adrenal cortex and, of itself, does not involve the adrenal medulla or other catecholamine-

producing tissues. Thus there is no reason to suspect overproduction of either epinephrine 

or norepinephrine in this case, and one would not expect VMA excretion to be affected if 

the diagnosis of Cushing's syndrome is correct. 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

89

 

Primary aldosteronism 

A 44-year-old man who complained of headaches was discovered to be hypertensive. 

Hypokalemia was noted; the plasma potassium concentration remained between 2.5 and 3 

mmol/L during 3 wk of observation. Peripheral vein renin concentrations were consistently 

less than 1 µlL, and they remained low even when the patient was placed on a low-sodium 

diet. Urinary aldosterone excretion was consistently high, even when a high-sodium diet 

was given. A venogram showed a questionable lesion in the left adrenal gland. A left  

adrenalectomy was performed. On follow-up examination 2 months later, the patient was 

found to be normotensive and normokalemic. 

Biochemical questions 

1.  Explain the hypokalemia in this case. Would you expect any abnormality in total 

body sodium content? 

 

 

 

Apparent  Mineralocorticoid Excess Syndrome 

Some patients (usually children) exhibit the hypertension, hypokalemia, and suppression 

of the renin-angiotensin-aldosterone system that would be expected if they were hyper-

secreting aldosterone. Since assays of plasma and urine may fail to identify, excess 

mineralocorticoids, these patients are said to have the apparent mineralocorticoid excess 

(AME) syndrome. This syndrome results from the failure of inactivation of cortisol by 11

ß-

hydroxysteroid dehydrogenase. Since the plasma levels of cortisol are about 100 times 

higher than the levels for aldosterone, cortisol saturates the renal mineralocorticoid 

receptor, causing sodium retention and suppression of the renin-angiotensin-aldosterone 

axis. 

Although this syndrome can result from a congenital defect in renal 11

ß-hydroxysteroid 

dehydrogenase isoform, it can also be caused by ingesting excessive amounts of licorice. 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

90

 

Questions 

2)  Glucocorticoid receptors are in the cytoplasm. AII of the following statements about the 

process by which the hormone influences transcription arc correct except

a)  The hormone must be in the free state to cross the cell membrane. 

b)  Cytoplasmic receptors may be associated with heat shock proteins. 

c)  The receptor-hormone complex is not activated/transformed until it is 

translocated to the nucleus. 

d)  In the nucleus, the activated/transformed receptor-hormone complex searches for 

specific sequences on DNA called HREs (hormone receptor elements). 

e)  The activated receptor-hormone complex may either activate or repress 

transcription of specific genes (only one activity per gene). 

 

C 

Dissociation of the heat shock protein from the receptor- hormone complex in the 

cytosol activates the complex. A: Steroid hormones travel bound to plasma proteins, but 

some is always free. D: These are consensus sequences in DNA. E: Activation is more 

common, but glucocorticoids repress transcription of the proopiomelanocortin gene. 

 

 

3)  All of the following are normal events leading to secretion of aldosterone from the 

adrenal gland except

a)  Renin is released by the kidney in hypovolemia. 

b)  Angiotensinogen binds to membrane receptors. 

c)  Ca 

2+

 levels in the cell rise. 

d)  aldosterone is secreted into the blood. 

 

 

B 

Angiotensinogen is cleaved by renin to angiotensin I, which must further be cleaved 

by converting enzyme to active angiotensin II. A: This is a major signal. C: This lead to 

increased Ca

2+

 and activation of protein kinase C. 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

91

Biochemistry and Disorders of Hormones of the 

Kidney, Heart and Adipose tissue 

Lecture 8 

 

Sunday 8/3/2012

 

 

The human kidney secretes two hormones 

  Erythropoietin 

  Calcitriol (1,25[OH]

2

 Vitamin D

3

 

  Erythropoietin 

(EPO)  is  a  glycoprotein  hormone  that  is  a  growth  factor  for  erythrocyte  (red  blood  cell) 

precursors in the bone marrow.  

  In adults primarily by peritubular cells in the kidneys, where its production is stimulated 

by low oxygen levels in the blood.  

  Some EPO is also produced by the liver, which is the primary source in the fetus. 

Actions 

EPO acts by binding to a specific erythropoietin receptor (EpoR) on the surface of red cell 

precursors in the bone marrow, stimulating them to transform into mature red blood cells. 

As  a  result  the  oxygen  level  in  blood  reaching  the  kidney  rises  and  the  amount  of  EPO 

produced decreases. 

People  with  failing  kidneys  can  be  kept  alive  by  dialysis.  But  dialysis  only  cleanses  the 

blood from wastes. Without a source of EPO, these patients suffer from anemia. 

 

In response to a rise in blood pressure, the heart releases two peptides 

  A-type Natriuretic Peptide (BNP) 

This hormone of 28 amino acids is released from stretched atria (hence the "A"). 

  B-type Natriuretic Peptide (BNP) 

This hormone (29 amino acids) is released from the ventricles. (It was first discovered in 

brain tissue; hence the "B") 

Both hormones lower blood pressure by: 

  Relaxing arterioles 

  Inhibiting the secretion of renin and aldosterone 

  Inhibiting the reabsorption of sodium ion by the kidneys. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

92

The  latter  two effects reduce the reabsorption of water by the kidneys. So the volume of 

urine increases as does the amount of sodium excreted in it. Te net effect of these actions 

is to reduce blood pressure by reducing the volume of blood in the circulating system. 

These effect give ANP and BNP their name (natrium= sodium; uresis= urinate) 

Hormones of adipose tissue 

Although  the  adipocyte's  primary  role  is  to  store  fat,  it  also  functions  as  an  endocrine  cell  that 

releases numerous regulatory molecules, such as leptin, adiponectin, and resistin 

1.  Leptin: Studies of the molecular genetics of mouse obesity have led to the isolation of at 

least six genes associated with obesity.  The most well-known mouse gene, named Ob (for 

obesity), leads to severe hereditary obesity in mice. It has been identified and cloned. In 

one strain of fat mice, the gene 

was completely absent, indicating 

that the gene's protein product is 

required to keep the animals' 

weight under control. The 

product of the Ob gene is a 

hormone called leptin.  

 

Leptin is produced proportionally to the 

adipose mass and, thus, informs the 

brain of the fat store level. It is secreted 

by fat cells, and acts on the 

hypothalamus of the brain to regulate 

the amount of body fat through the 

control of appetite and energy 

expenditure. Leptin's secretion is 

suppressed by depletion of fat stores 

(starvation) and enhanced by expansion 

of fat stores (well-fed state). Daily 

injection of leptin causes overweight mice to lose weight and maintain weight loss. The protein also 

causes weight loss in mice that are not obese. In humans, leptin increases the metabolic rate and 

decreases appetite.  

 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

93

However, plasma leptin in obese humans is usually normal for their fat mass, suggesting that 

resistance to leptin, rather than its deficiency, occurs in human obesity. Other hormones 

released by adipose tissue, such as adiponectin and resistin, may mediate insulin resistance 

observed in obesity 

2.  resistin 

The hormone resistin is one amongst a novel family of three proteins , known as resistin-

like molecules (RELMs). They are cysteine-rich secreted proteins associated with 

pulmonary inflammation (also known as FIZZ3, found in inflammatory zone). It has 11 

cysteine-residues synthesized as a propeptide of 108 amino acids and secreted as a 

dimmer, build by a disulfide bridge of cysteine residues. Beside this intermolecular 

disulfide bridge, 5 additional intramolecular ones exist. 

Source of reistin 

In humans, resistin expression in adiposite can be detected at a low level. it is higher in 

abdominal fat stores than in thigh adipose tissue, this suggest a potential role in linking 

central obesity to type 2 diabetes and/or cardiovascular disease. Human resistin is 

expressed mainly in pancreatic islet, preadiposites, macrophages and bone marrow.  So 

resistin is of relevance for inflammation processes as well as for lipid metabolism. 

In mice a correlation between adiposity, insulin resistance and resistin expression was 

found empirically. In humans respective studies are not clear. Several show an association 

of resistin serum concentration and adiposity or insulin resistance. 


background image

Prof.Dr. Hedef Dhafir El-Yassin 2012

 

94

Resistin putative role(s): 

Relevance of resistin in physiological processes other than energy metabolism was 

investigated. Experiments with endothelial cells gave interesting results, in which resistin 

shown to be potentially able to influence endothelial inflammation and thereby 

atherosclerosis.  

Resistin shares some qualities with another protein secreted by fat cells and associated 

with obesity, the hormone leptin. This hormone, discovered in 1995, seems to regulate 

food intake.  

There is still much to learn about resistin.  But with each new piece fitted into the diabetes 

puzzle, new possibilities arise.  

There are two putative roles of resistin: 

a.  To directly cause insulin resistance  

b.  To block adipocyte differentiation  

The latter might lead to ectopic fat storage (increased amounts of fat in skeletal 

muscle and liver.  

Future work…. 

Future research in this area aims to establish the role of resistin in human disease. 

Measurement of resistin in a simple blood test might then be useful in detecting insulin 

resistance and prediabetic conditions. Looking forward, counteracting resistin's affects on 

the body might be a new approach to preventing and treating diabetes. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 11 عضواً و 243 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