background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

1

 

 

Pancreas

After studying these lectures, you should be able to . . .

 

1.  Kew the endocrine function of pancreas. 
2.  Understand  the  physiological  effects  of  insulin  on  different  body 

parts. 

3.  Use your physiological knowledge to predict the   cause of signs and 

symptoms of diabetes mellitus. 
 

 An endocrine and an exocrine gland: 

The  endocrine  portion  of  the  pancreas  consists  of  scattered 
clusters  of  cells  called  the  pancreatic  islets  or  islets  of 
Langerhans.  These  endocrine  structures  are  most  common  in 
the  body  and  tail  of  the  pancreas  Pancreatic  Islets  (Islets  of 
Langerhans). On a microscopic level, the most conspicuous cells 
in the islets are the alpha and beta cells

 

 
Alpha  cells
  secrete  glucagon  in  response  to  a  fall  in  blood 
glucose  concentrations.  Glucagon  stimulates  the  liver  to 
hydrolyze  glycogen  to  glucose  (glycogenolysis),  which  causes 
the  blood  glucose  level  to  rise.  This  effect  represents  the 
completion  of  a  negative  feedback  loop.  Glucagon  also 
stimulates  the  hydrolysis  of  stored  fat  (lipolysis)  and  the 
consequent  release  of  free  fatty  acids  into  the  blood.  This 
effect  helps  to  provide  energy  substrates  for  the  body  during 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

2

 

 

fasting. Glucagon also Increases Gluconeogenesis: Even after all 
the  glycogen  in  the  liver  has  been  exhausted  under  the 
influence  of  glucagon,  continued  infusion  of  this  hormone  still 
causes continued hyperglycemia. This results from the effect of 
glucagon to increase the rate of amino acid uptake by the liver 
cells  and  then  the  conversion  of  many  of  the  amino  acids  to 
glucose by gluconeogenesis.  
 
 Beta cells secrete insulin in response to a rise in blood glucose 
concentrations. One of the most important of all the effects of 
insulin is to cause most of the glucose absorbed after a meal to 
be  stored  almost  immediately  in  the  liver  in  the  form  of 
glycogen. Then, between meals, when food is not available and 
the blood glucose concentration begins to fall, insulin secretion 
decreases  rapidly  and  the  liver  glycogen  is  split  back  into 
glucose,  which  is  released  back  into  the  blood  to  keep  the 
glucose concentration from falling too low.  
When  the  quantity  of  glucose  entering  the  liver  cells  is  more 
than  can  be  stored  as  glycogen  or  can  be  used  for  local 
hepatocyte metabolism, insulin promotes the conversion of all 
this  excess  glucose  into  fatty  acids.  These  fatty  acids  are 
subsequently  packaged  as  triglycerides  in  very-low-density 
lipoproteins  and  transported  in  this  form  by  way  of  the  blood 
to the adipose tissue and deposited as fat.  
Insulin  increases  glucose  transport  into  and  glucose  usage  by 
most  other  cells  of  the  body  (with  the  exception  of  the  brain 
cells). The brain is quite different from most other tissues of the 
body in that insulin has little effect on uptake or use of glucose. 
Instead,  the  brain  cells  are  permeable  to  glucose  and  can  use 
glucose without the intermediation of insulin. 
The brain cells are also quite different from most other cells of 
the  body  in  that  they  normally  use  only  glucose  for  energy. 
Therefore, it is essential that the blood glucose level always be 
maintained  above  a  critical  level,  which  is  one  of  the  most 
important functions of the blood glucose control system. 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

3

 

 

The  normal  blood  glucose  when  the  person  is  fasting  is  range 
from  80  t0  120  mg/100ml  while  post-meal  or  called  random 
blood glucose is between 130 to 170 mg/100ml.  
 When the blood glucose falls too low, into the range of 20 to 
50  mg/100ml,  symptoms  of  hypoglycemic  shock  develop, 
characterized  by  progressive  nervous  irritability  that  leads  to 
fainting, seizures, and even coma. 
Insulin  deficiency causes  lipolysis  of  storage  fat  and  release  of 
free fatty acids. The absence of insulin causes hydrolysis of the 
stored triglycerides, releasing large quantities of fatty acids and 
glycerol  into  the  circulating  blood.  Consequently,  the  plasma 
concentration of free fatty acids begins to rise within minutes. 
This  free  fatty  acid  then  becomes  the  main  energy  substrate 
used by essentially all tissues of the body. 
 the  excess  fatty  acids  in  the  liver  cells  causes  excessive 
amounts  of  acetoacetic  acid  to  be  formed  so  in  the 
mitochondria,  oxidation  of  the  fatty  acids  then  proceeds  very 
rapidly, releasing extreme amounts of acetyl-CoA. A large part 
of this excess acetyl-CoA is then condensed to form acetoacetic 
acid,  which  in  turn  is  released  into  the  circulating  blood.  The 
absence of insulin also depresses the utilization of acetoacetic 
acid in the peripheral tissues. Thus, so much acetoacetic acid is 
released from the liver that it cannot all be metabolized by the 
tissues. 
Some  of  the  acetoacetic  acid  is  also  converted  into  b-
hydroxybutyric acid and acetone. These two substances, along 
with  the  acetoacetic  acid,  are  called  ketone  bodies,  and  their 
presence in large quantities in the body fluids is called ketosis. 
 
Insulin  Promotes  Protein  Synthesis  and  Storage.  
During  the 
few hours after a meal when excess quantities of nutrients are 
available  in  the  circulating  blood,  not  only  carbohydrates  and 
fats  but  proteins  as  well  are  stored  in  the  tissues;  insulin  is 
required for this to occur though: 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

4

 

 

1. Insulin  stimulates  transport  of  many  of  the  amino  acids 

into the cells

2. Insulin inhibits the catabolism of proteins, thus decreasing 

the  rate  of  amino  acid  release  from  the  cells,  especially 
from the muscle cells. 

3. In the liverinsulin depresses the rate of gluconeogenesis

 
Insulin  Lack  Causes  Protein  Depletion  and  Increased  Plasma 
Amino Acids: 
Virtually all protein storage comes to a halt when 
insulin  is  not  available.  The  catabolism  of  proteins  increases, 
protein synthesis stops, and large quantities of amino acids are 
dumped into the plasma. 
The  plasma  amino  acid  concentration  rises  considerably,  and 
most  of  the  excess  amino  acids  are  used  either  directly  for 
energy or as substrates for gluconeogenesis. 
This  degradation  of  the  amino  acids  also  leads  to  enhanced 
urea excretion in the urine. The resulting protein wasting is one 
of  the  most  serious  of  all  the  effects  of  severe  diabetes 
mellitus.  It  can  lead  to  extreme  weakness  as  well  as  many 
deranged functions of the organs. 
 
Insulin  and  Growth  Hormone  Interact  Synergistically  to 
Promote Growth: 
Because insulin is required for the synthesis 
of proteins, it is as essential for growth of an animal as growth 
hormone  is.  It  appears  that  the  two  hormones  function 
synergistically  to  promote  growth,  each  performing  a  specific 
function that is separate from that of the other. 
 

Diabetes Mellitus:  

Diabetes mellitus is a syndrome of impaired carbohydrate, fat, 
and  protein  metabolism.    There  are  two  general  types  of 
diabetes mellitus: 
1.  Type  I  diabetes,  also  called  insulin-dependent  diabetes 
mellitus (IDDM)
, is caused by lack of insulin secretion. 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

5

 

 

2.  Type  II  diabetes,  also  called  non–insulin-dependent  diabetes 
mellitus  (NIDDM)
,  and  is  caused  by  decreased  sensitivity  of 
target  tissues  to  the  metabolic  effect  of  insulin.  This  reduced 
sensitivity to insulin is often called insulin resistance
In  both  types  of  diabetes  mellitus,  metabolism  of  all the  main 
foodstuffs  is  altered.  The  basic  effect  of  insulin  lack  or  insulin 
resistance  on  glucose  metabolism  is  to  prevent  the  efficient 
uptake  and  utilization  of  glucose  by  most  cells  of  the  body, 
except  those  of  the  brain.  As  a  result,  blood  glucose 
concentration  increases,  cell  utilization  of  glucose  falls 
increasingly  lower,  and  utilization  of  fats  and  proteins 
increases. 
 
 
Type  I  Diabetes—Lack  of  Insulin  Production  by  Beta  Cells  of 
the Pancreas 
Injury to the beta cells of the pancreas or diseases that impair 
insulin production can lead to type I diabetes. Viral infections or 
autoimmune  disorders  may  be  involved  in  the  destruction  of 
beta  cells  in  many  patients  with  type  I  diabetes.  In  some 
instances,  there  may  be  a  hereditary  tendency  for  beta  cell 
degeneration  even  without  viral  infections  or  autoimmune 
disorders. 
The usual onset of type I diabetes occurs at about 14 years of 
age,  and  for  this  reason  it  is  often  called  juvenile  diabetes 
mellitus
.  Type  I  diabetes  may  develop  very  abruptly,  over  a 
period  of  a  few  days  or  weeks,  with  three  principal  sequelae: 
(1) increased blood glucose, (2) increased utilization of fats for 
energy  and  for  formation  of  cholesterol  by  the  liver,  and  (3) 
depletion of the body’s proteins. 

1- Blood Glucose Concentration Rises to Very High Levels in 

Diabetes  Mellitus.  The  lack  of  insulin  decreases  the  efficiency 
of  peripheral  glucose  utilization  and  augments  glucose 
production, raising plasma glucose to 300 to 1200 mg/100 ml. 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

6

 

 

The  increased  plasma  glucose  then  has  multiple  effects 
throughout the body. 

2- Increased  Blood  Glucose  Causes  Loss  of  Glucose  in  the 

Urine: The high blood glucose causes more glucose to filter into 
the  renal  tubules  than  can  be  reabsorbed,  and  the  excess 
glucose  spills  into  the  urine.  This  normally  occurs  when  the 
blood glucose concentration rises above 180 mg/100 ml, a level 
that  is  called  the  blood  “threshold”  for  the  appearance  of 
glucose in the urine.  

3- Increased  Blood  Glucose  Causes  Dehydration  The  very 

high levels of blood glucose (sometimes as high as 8 to 10 times 
normal  in  severe  untreated  diabetes)  can  cause  severe  cell 
dehydration  throughout  the  body.  This  occurs  partly  because 
glucose  does  not  diffuse  easily  through  the  pores  of  the  cell 
membrane without insulin, and the increased osmotic pressure 
in the extracellular fluids causes osmotic transfer of water out 
of the cells. In addition to the direct cellular dehydrating effect 
of  excessive  glucose,  the  loss  of  glucose  in  the  urine  causes 
osmotic  diuresis.  causing  massive  loss  of  fluid  in  the  urine, 
causing  dehydration  of  the  extracellular  fluid,  which  in  turn 
causes  compensatory  dehydration  of  the  intracellular  fluid. 
Thus,  polyuria  (excessive  urine  excretion),  intracellular  and 
extracellular  dehydration
,  and  increased  thirst  are  classic 
symptoms of diabetes. 

4- Chronic  High  Glucose  Concentration  Causes  Tissue 

Injury:  When  blood  glucose  is  poorly  controlled  over  long 
periods  in  diabetes  mellitus,  blood  vessels  in  multiple  tissues 
throughout the body begin to function abnormally and undergo 
structural changes that result in inadequate blood supply to the 
tissues.  This  in  turn  leads  to  increased  risk  for  heart  attack, 
stroke,  end-stage  kidney  disease,  retinopathy  and  blindness, 
and ischemia and gangrene of the limbs. 
Chronic  high  glucose  concentration  also  causes  damage  to 
many other tissues. For example, peripheral neuropathy, which 
is  abnormal  function  of  peripheral  nerves,  and  autonomic 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

7

 

 

nervous  system  dysfunction  are  frequent  complications  of 
chronic,  uncontrolled  diabetes  mellitus.  These  abnormalities 
can result in impaired cardiovascular reflexes, impaired bladder 
control,  decreased  sensation  in  the  extremities,  and  other 
symptoms of peripheral nerve damage. 

5- Diabetes  Mellitus  Causes  Increased  Utilization  of  Fats 

and  Metabolic  Acidosis:  The  shift  from  carbohydrate  to  fat 
metabolism  in  diabetes  increases  the  release  of  keto  acids, 
such  as  acetoacetic  acid  and  b-hydroxybutyric  acid,  into  the 
plasma more rapidly than they can be taken up and oxidized by 
the  tissue  cells.  As  a  result,  the  patient  develops  severe 
metabolic  acidosis  from  the  excess  keto  acids,  which,  in 
association  with  dehydration  due  to  the  excessive  urine 
formation,  can  cause  severe  acidosis.  This  leads  rapidly  to 
diabetic  coma  and  death  unless  the  condition  is  treated 
immediately with large amounts of insulin and fluids. 
All the usual physiologic compensations that occur in metabolic 
acidosis take place in diabetic acidosis. They include rapid and 
deep  breathing
,  which  causes  increased  expiration  of  carbon 
dioxide;  this  buffers  the  acidosis.  The  kidneys  compensate  by 
decreasing  bicarbonate  excretion  and  generating  new 
bicarbonate that is added back to the extracellular fluid. 

6- Diabetes Causes Depletion of the Body’s Proteins: Failure 

to  use  glucose  for  energy  leads  to  increased  utilization  and 
decreased  storage  of  proteins  as  well  as  fat.  Therefore,  a 
person  with  severe  untreated  diabetes  mellitus  suffers  rapid 
weight  loss  and  asthenia  (lack  of  energy)  despite  eating  large 
amounts of food (polyphagia).  
 
Type  II  Diabetes—Resistance  to  the  Metabolic  Effects  of 
Insulin: 
Type II diabetes is far more common than type I, accounting for 
about 90% of all cases of diabetes mellitus. In most cases, the 
onset of type II diabetes occurs after age 30, often between the 
ages  of  50  and  60  years,  and  the  disease  develops  gradually. 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

8

 

 

Therefore,  this  syndrome  is  often  referred  to  as  adult-onset 
diabetes.  
In  recent  years,  however,  there  has  been  a  steady 
increase in the number of younger individuals, some less than 
20  years  old,  with  type  II  diabetes.  This  trend  appears  to  be 
related mainly to the increasing prevalence of obesitythe most 
important risk factor for type II diabetes 
in children as well as in 
adults. 
Insulin resistance is part of a cascade of disorders that is often 
called  the  “metabolic  syndrome.”  Some  of  the  features  of  the 
metabolic 

syndrome 

include: 

(1) 

obesity, 

especially 

accumulation of abdominal fat; (2) insulin resistance; (3) fasting 
hyperglycemia;  (4)  lipid  abnormalities  such  as  increased  blood 
triglycerides  and  decreased  blood  high-density  lipoprotein-
cholesterol;  and  (5)  hypertension.  All  of  the  features  of  the 
metabolic  syndrome  are  closely  related  to  excess  weight  gain, 
especially  when  it  is  associated  with  accumulation  of  adipose 
tissue in the abdominal cavity around the visceral organs. 
In  the  type  II  diabetes,  the  pancreatic  beta  cells  become 
“exhausted”  and  are  unable  to  produce  enough  insulin  to 
prevent more severe hyperglycemia, especially after the person 
ingests a carbohydrate-rich meal. 
In many instances, type II diabetes can be effectively treated, at 
least  in  the  early  stages,  with  exercise,  caloric  restriction,  and 
weight  reduction,  and  no  exogenous  insulin  administration  is 
required.  Drugs  that  increase  insulin  sensitivity  or  drugs  that 
cause additional release of insulin by the pancreas may also be 
used.  However,  in  the  later  stages  of  type  II  diabetes,  insulin 
administration is usually required to control plasma glucose. 
 
 
Physiology of Diagnosis of Diabetes Mellitus  

1- Urinary  Glucose:  Simple  tests  used  to  determine  the 

quantity  of  glucose  lost  in  the  urine.  In  general,  a  normal 
person  loses  undetectable  amounts  of  glucose,  whereas  a 
person with diabetes loses glucose in small to large amounts, in 


background image

Dr. Ghassan                                                    Endocrine Physiology

 

 

9

 

 

proportion  to  the  severity  of  disease  and  the  intake  of 
carbohydrates. 

2- Fasting Blood Glucose: The fasting blood glucose level in 

the  early  morning  is  normally  80  to  90  mg/100  ml,  and  110 
mg/100  ml  is  considered  to  be  the  upper  limit  of  normal.  A 
fasting  blood  glucose  level  above  this  value  often  indicates 
diabetes mellitus or at least marked insulin resistance. 

3- Glucose  Tolerance  Test:  when  a  normal,  fasting  person 

ingests  1  gram  of  glucose  per  kilogram  of  body  weight,  the 
blood  glucose  level  rises  from  about  90  mg/100  ml  to  120  to 
140  mg/100  ml  and  falls  back  to  below  normal  in  about  2 
hours.  
In  a  person  with  diabetes,  the  fasting  blood  glucose 
concentration is almost always above 110 mg/100 ml and often 
above 140 mg/100 ml. Also, the glucose tolerance test is almost 
always abnormal above 200 mg/100 ml. 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 122 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