background image

                                                                       Dr. HANAN AL – TAEE 

DEPARTMENT OF PHYSIOLOGY 

 

Endocrine Functions of Pancreas 

 

 O B J E C T I V E S 

After reading this lecture, you should be able to: 

List  the  hormones  that  affect  the  plasma  glucose  concentration  and  briefly  describe  the 
action of each. 

Describe the structure  of the  pancreatic islets and name  the hormones secreted by each of 
the cell types in the islets.  

Describe the structure of glucagon and list the physiologically significant effects of glucagon 
and the factors that regulate glucagon secretion. 

Describe the structure of insulin and outline the steps involved in its biosynthesis and release 
into the bloodstream. 

List  the  consequences  of  insulin  deficiency  and  explain  how  each  of  these  abnormalities  is 
produced. 

Describe insulin receptors, the way they mediate the effects of insulin, and the way they are 
regulated. 

List the major factors that affect the secretion of insulin. 

Understand the major differences between type 1 and type 2 diabetes. 

REGULATION OF BLOOD GLUCOS LEVEL:  

 NORMAL BLOOD GLUCOSE LEVE: In normal persons, blood glucose level is controlled within a 
narrow  range.  In  the  early  morning  after  overnight  fasting,  the  blood  glucose  level  is  low 
ranging  between  70  and  110  mg/dL  of  blood.  Between  first  and  second  hour  after  meals 
(postprandial),  the  blood  glucose  level  rises  to  100  to  140  mg/dL.  Glucose  level  in  blood  is 
brought  back  to  normal  at  the  end  of  second  hour  after  the  meals.  Blood  glucose  regulating 
mechanism is operated through liver and muscle by the influence of the pancreatic hormones – 


background image

insulin and glucagon. Many other hormones are also involved in the regulation of blood glucose 
level. Among all the hormones, insulin is the only hormone that reduces the blood glucose level 
and  it  is  called  the  antidiabetogenic  hormone.  The  hormones  which  increase  blood  glucose 
level are called diabetogenic hormones or anti‐insulin hormones. 

Necessity of Regulation of Blood Glucose Level: 

Regulation of blood glucose (sugar) level is very essential because, glucose is the only nutrient 
that is utilized for energy by many tissues such as brain tissues, retina and germinal epithelium 
of the gonads. 

 ROLE OF LIVER IN THE MAINTENANCE OF BLOOD GLUCOSE LEVEL 

Liver

  serves  as  an  important 

glucose  buffer  system

.  When  blood  glucose  level 

increases  after  a  meal,  the  excess  glucose  is  converted  into  glycogen  and  stored  in  liver. 
Afterwards, when blood glucose level falls, the glycogen in liver is converted into glucose and 
released into the blood. The storage of glycogen and release of glucose from liver are mainly 
regulated by insulin and glucagon.  

 Insulin  helps  to  control  the  blood  glucose  level,  especially  after  meals,  when  it  increases. 
Glucagon and other hormones help to maintain the blood glucose level by raising it in between 
the meals.  

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 and can use other energy substrates, such as fats, only 
with  difficulty.  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. When the blood glucose falls too low, into the range of 20 to 50 mg/100 ml, 
symptoms  of  hypoglycemic
  shock  develop,  characterized  by  progressive  nervous  irritability 
that leads to fainting, seizures, and even coma. 

Other  hormones  which  increase  the  blood  glucose  level  are:  Growth  hormone,  Thyroxin  , 
Cortisol , Adrenaline . 

Physiologic Anatomy of the Pancreas. The pancreas is composed of two major types of tissues, 
as shown in Figure: (1) the acini, which secrete digestive juices into the duodenum, and (2) the 
islets  of  Langerhans,  which  secrete  insulin  and  glucagon  directly  into  the  blood.  The  human 
pancreas has 1 to 2 million islets of Langerhans (constitute 2% of pancreatic tissues mainly in 
the  tail  of  pancreas,  each  only  about  0.3  millimeter  in  diameter  and  organized  around  small 
capillaries into which its cells secrete their hormones.  


background image

Islets of Langerhans consist of four types of cells: which are distinguished from one another by 
their morphological and staining characteristics. 

 

 

Figure 1: Demonstrate islet of langerhans 

 

1. A cells or α‐cells, which secrete glucagon (constitute about 25 per cent of the total), secrete 
glucagon.  

2.  B  cells  or  β‐cells,  which  secrete  insulin  and  amylin,  a  hormone  that  is  often  secreted  in 
parallel with insulin, although its function is unclear. (60 per cent of all the cells). 

3.  D  cells  or  δ‐cells,  which  secrete  somatostatins,  about  10  percent  of  the  total,  secrete 
somatostatinplays a role in the regulation of islet cell secretion. 

4. F cells or PP cells, which secrete pancreatic polypeptide, a hormone of uncertain function it is 
probably concerned primarily with the regulation of HCO–3 secretion to the intestine 

 The  close  interrelations  among  these  cell  types  in  the  islets  of  Langerhans  allow  cell‐to‐cell 
communication  and  direct  control  of  secretion  of  some  of  the  hormones  by  the  other 
hormones.  For  instance,  insulin  inhibits  glucagon  secretion,  amylin  inhibits  insulin  secretion, 
and somatostatin inhibits the secretion of both insulin and glucagon. 


background image

GLUCAGON 

  Is  secreted  from  A  cells  or  α‐cells  in  the  islets  of  Langerhans  of  pancreas.  It  is  also 

secreted from A cells of stomach and L cells of intestine. 

  Is a polypeptide with a molecular weight of 3,485. It contains 29 amino acids. Half‐life of 

glucagon is 3 to 6 minutes. 

 

  Is synthesized from the preprohormone precursor called preproglucagon in the α‐cells 
of islets. Preproglucagon is converted into proglucagon, which gives rise to glucagon. 

  About  30%  of  glucagon  is  degraded  in  liver  and  20%  in  kidney.  The  cleaved  glucagon 

fragments  are  excreted  through  urine.  50%  of  the  circulating  glucagon  is  degraded  in 
blood itself by enzymes such as serine and cysteine proteases. 

  Actions  are  antagonistic  to  those  of  insulin.  It  increases  the  blood  glucose  level,  by 

enhancing  glycogenolysis,  gluconeogenesis,  Glucagon  shows  lipolytic  and  ketogenic 
actions. 

Regulation of glucagon secretion 

Secretion of glucagon is controlled mainly by glucose and amino acid levels in the blood. 

Factors which increase glucagon secretion: 

i. Exercise.   ii. Stress.   iii. Gastrin.   iv. Cholecystokinin (CCK).  v. Cortisol. 

Factors which inhibit glucagon secretion: 

i. Somatostatin.  ii. Insulin.  iii. Free fatty acids.  iv. Ketones. 

INSULIN: 

  Is secreted by B cells or the β‐cells in the islets of Langerhans of pancreas. 

  First isolated from the pancreas in 1922 by Banting and Best.  

  Is a polypeptide with 51 amino acids and a molecular weight of 5,808.  

  It has two amino acid chains called α and β chains, which are linked by disulfide bridges. 

The α‐chain of insulin contains 21 amino acids and β‐chain contains 30 amino acids.  

  The biological Half‐life is 5 minutes. Basal level of insulin in plasma is 10 μU/mL.   

  Synthesis occurs in the rough endoplasmic reticulum of β‐cells in islets of Langerhans. It 

is  synthesized  as  preproinsulin,  which  gives  rise  to  proinsulin.  Proinsulin  is  converted 
into  insulin  and  C  peptide  through  a  series  of  peptic  cleavages.(  C  peptide  is  a 
connecting peptide that connects α and β chains, at the time of secretion the C peptide 
is detached). 
Preproinsulin → Proinsulin       Peptic cleavage       Insulin 

 


background image

METABOLISM 

 When insulin is secreted into the blood, it circulates almost entirely in an unbound

 

form; it has 

a  plasma  half‐life  that  averages  only  about  6  minutes,  so  that  it  is  mainly  cleared  from  the 
circulation within 10 to 15 minutes. Except for that portion of the insulin that combines with 
receptors in the target cells, the remainder is degraded by the enzyme insulinase mainly in the 
liver, to a lesser extent in the kidneys and muscles, and slightly in most other tissues.  

This rapid removal from the plasma is important, because, at times, it is as important to turn off 
rapidly as to turn on the control functions of insulin. 

 ACTIONS OF INSULIN 

Insulin is concerned with the metabolism of carbohydrate, proteins and fats. 

1. on Carbohydrate Metabolism 

   Increases  transport  and  uptake  of  glucose  by  the  cells:  This  is  by  increasing  the 

permeability of cell membrane to glucose, particularly liver, muscle and adipose tissues 
,by  increases  the  number  of  glucose  transporters.  Insulin  is  not  required  for  glucose 
uptake  in  some  tissues  such  as  brain  (except  hypothalamus),  renal  tubules,  mucous 
membrane of intestine and RBCs 

Glucose  transporters:  Usually,  glucose  is  transported  into  the  cells  by  sodium‐glucose  pump. 
Most of the cells have another type of transport proteins called glucose transporters (GLUT). So 
far, seven types of GLUT are identified (GLUT 1–7). Among these, GLUT4 is insulin sensitive and 
it is located in cytoplasmic vesicles. It is present in large numbers in muscle fibers and adipose 
cells. 

 

           Figure demonstrating insulin receptor and how it activate GLUT molecule  


background image

When insulin‐receptor complex is formed in the membrane of such cells, the vesicles containing 
GLUT4 are attracted towards the membrane and GLUT4 is released into the membrane. Now, 
GLUT4 starts transporting the glucose molecules from extracellular fluid (ECF) into the cell. The 
advantage of GLUT4 is that it transports glucose at a faster rate. 

  Promotes peripheral utilization of glucose  

In presence of insulin, glucose which enters the cell is oxidized immediately.(increase activity of 
glucokinase).
 

  Promotes storage of glucose – glycogenesis 

Insulin promotes the rapid conversion of glucose into glycogen (glycogenesis), which is stored in 
the  muscle  and  liver.  Insulin  activates  the  enzymes,glycogen  synthase    and  Inhibits 
glycogenolysis by
 inactivating liver phosphorylase.  

  Inhibits gluconeogenesis 

 i.e. the formation of glucose from proteins by inhibiting the release of amino acids from muscle 
and by inhibiting the activities of enzymes involved in gluconeogenesis  

2. on Protein Metabolism 

Insulin facilitates the synthesis and storage of proteins by 

  Facilitating  the  transport  of  amino  acids  into  the  cell  from  blood,  (valine,  leucine

isoleucinetyrosine, and phenylalanine.) 

  Accelerating protein synthesis by influencing the transcription of DNA and by increasing 

the translation of mRNA. 

   Preventing protein catabolism by decreasing the activity of cellular enzymes which act 

on proteins. 

  Preventing gluconeogenesis. 

In case of Insulin deficiency  

  The catabolism of proteins increases. 
  Increase gluconeogenesis. 
  Enhanced urea excretion in the urine.  
  Weakness as well as deranged functions of the organs because of protein wasting. 

3. on Fat Metabolism 

Actions of insulin on fat metabolism are:  


background image

  Synthesis of fatty acids and triglycerides: 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.  i.e.  Storage  of  fat.    This  is  because  Insulin  inhibits  the  action  of 
hormone‐sensitive lipase

  Activation of lipoprotein lipase in the capillary walls of the adipose tissue, which splits 

the triglycerides again into fatty acids, a requirement for them to be absorbed into the 
adipose cells, where they are again converted to triglycerides and stored. 

Insulin Deficiency Causes  

   Lipolysis of Storage Fat and Release of Free Fatty Acids. This is because of activation of 

the  enzyme  hormone‐sensitive  lipase  in  the  fat  cells,  this  leads  to  hydrolysis  of  the 
stored  triglycerides,  releasing  large  quantities  of  fatty  acids  and  glycerol  into  the 
circulating blood.
 

  Increases Plasma Cholesterol and Phospholipid Concentrations. The excess of fatty acids 

in the plasma associated with insulin deficiency also promotes liver conversion of some 
of the fatty acids into phospholipids and cholesterol, two of the major products of fat 
metabolism. These two substances, along with excess triglycerides formed at the same 
time in the liver, are then discharged into the blood in the lipoproteins.  
 

  High  lipid  concentration—especially  the  high  concentration  of  cholesterol—promotes 

the development of atherosclerosis in people with serious diabetes. 
 

  Ketosis and Acidosis. In the absence of insulin but in the presence of excess fatty acids in 

the liver cells, the carnitine transport mechanism for transporting fatty acids into the 
mitochondria becomes increasingly activated. In the mitochondria, beta 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. Much of 
acetoacetic acid is released from the liver that it cannot all be metabolized by the 
tissues causing a state of body fluid acidosis.

 

One more reason for acidosis is that the 

ketoacids are excreted in combination with sodium ions through urine (ketonuria). 
Sodium is exchanged for hydrogenions, which diffuse from the renal tubules into ECF 
adding to acidosis. 

   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.  


background image

4. On Growth 

Insulin promotes growth of body by its anabolic action on proteins and acts Synergistically  with 
growth hormone to Promote Growth. 

5. on electrolyte: 

Insulin causes K+ to enter cells, with a resultant lowering of the extracellular K+ concentration.  
This may be due to increases the activity of Na+–K+ ATPase in cell membranes. 

Infusions of insulin and glucose significantly lower the plasma K+ level in normal individuals and 
are very effective for the temporary relief of hyperkalemia in patients with renal failure. 

6. Effect on skeletal muscles: 

During much of the day, muscle tissue depends not on glucose for its energy but on fatty acids. 
The  principal  reason  for  this  is  that  the  normal  resting  muscle  membrane  is  only  slightly 
permeable to glucose; under two conditions the muscles do use large amounts of glucose.  

One  of  these  is  during  moderate  or  heavy  exercise,  because  exercising  muscle  fibers  become 
more  permeable  to  glucose  even  in  the  absence  of  insulin  because  of  the  contraction  process 
itself. 

The second  is during the few hours after a meal. At this time the blood glucose concentration is 
high  and  the  pancreas  is  secreting  large  quantities  of  insulin.  The  extra  insulin  causes  rapid 
transport of glucose into the muscle cells.  

 If  the  muscles  are  not  exercising  after  a  meal  and  yet  glucose  is  transported  into  the  muscle 
cells in abundance, then most of the glucose is stored in the form of muscle glycogen 

Insulin Receptor 

Insulin receptor is a glycoprotein with a molecular weight of 340,000. It is present in almost all 
the cells of the body. On the target cells, insulin binds with the receptor protein and forms the 
insulin‐receptor  complex.  This  complex  executes  the  action  by  activating  the  intracellular 
enzyme system. (Protein kinase). 

REGULATION OF INSULIN SECRETION 

1. Role of Blood Glucose Level 

When blood glucose level is normal (80 to 100 mg/dL), the rate of insulin secretion is low (up to 
10 μU/minute). When blood glucose level increases between 100 and  120 mg/dL,  the rate of 


background image

insulin  secretion  rises  rapidly  to  100  μU/minute.  When  blood  glucose  level  rises  above  200 
mg/dL, the rate of insulin secretion also rises very rapidly up to 400 μU/minute. 

2. Role of Proteins 

Excess  amino  acids  in  blood  also  stimulate  insulin  secretion.  Potent  amino  acids  are  arginine 
and lysin. 

3. Role of Lipid Derivatives 

The β‐ketoacids such as acetoacetate also increase insulin secretion. 

4. Role of Gastrointestinal Hormones 

Insulin  secretion  is  increased  by  some  of  the  gastrointestinal  hormones  such  as  gastrin, 
secretin, CCK and GIP. 

5. Role of Endocrine Hormones 

Diabetogenic  hormones  like  glucagon,  growth  hormone  and  cortisol  also  stimulate  insulin 
secretion, indirectly. Prolonged hypersecretion of these hormones causes exhaustion of β‐cells, 
resulting in diabetes mellitus. 

6. Role of Autonomic Nerves 

Stimulation of parasympathetic nerve to the pancreas (right vagus) increases insulin secretion. 
Chemical neurotransmitter involved is acetylcholine. Stimulation of sympathetic nerves inhibits 
the secretion of insulin and the neurotransmitter is noradrenaline. However, the role of these 
nerves on the regulation of insulin secretion under physiological conditions is not clear. 

EFFECTS OF HYPERGLYCEMIA 

  Hyperosmolality of the blood.  
  Excretion of the osmotically active glucose molecules entails the loss of large amounts 

of water (poly urea). There is an appreciable urinary loss of Na+ and K+ as well. 

  The resultant dehydration activates the mechanisms regulating water intake, leading to 

polydipsia (increase water intake).  

  The feeding area of the hypothalamus is not inhibited and thus satiety is not sensed so 

food intake is increased. (Polyphagia). 

  For every gram of glucose excreted, 4.1 kcal is lost from the body. Increasing the oral 

caloric intake to cover this loss simply raises the plasma glucose further and increases 
the glycosuria, so mobilization of endogenous protein and fat stores and weight loss are 
not prevented.  


background image

  When plasma glucose is episodically elevated over time, small amounts of hemoglobin A 

are  nonenzymatically  glycated  to  form  HbAIc.  Careful  control  of  the  diabetes  with 
insulin reduces the amount formed and consequently HbA Ic concentration is measured 
clinically as an integrated index of diabetic control for the 4‐ to 6‐wk period before the 
measurement.  As  the  average  amount  of  plasma  glucose  increases,  the  fraction  of 
glycated hemoglobin increases in a predictable way. This serves as a marker for average 
blood glucose levels over the previous months prior to the measurement. It is about 20–
40 mmol/mol (4–5.9 DCCT %) Monitoring HbA

1c

 in type 1 diabetic patients may improve 

outcomes. 

                            EFFECT OF INSULIN DEFICIANCY(summery):

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Ahmed monther Aljial
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 166 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