background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

 

 

 

 

A system of glands and hormone secreting cells that regulate body functions through 

hormones.  

Hormones: Chemical messengers that exert a regulatory effect on the cells of the 

body bearing receptors for it.  

Endocrine glands: Ductless structures that release hormones directly into the blood, 

and then transported by the circulation to the target tissues.    

Target tissue: Tissue possess specific receptors to which the hormone binds and this 

receptor binding then elicits a series of events that influences cellular activities.  

Eicosanoids and Vitamins  

Eicosanoids is a group of compounds that have a hormone like action. The most 

important of these eicosanoids are the prostaglandins, leukotrienes, and 
thromboxanes. These substances derives from arachidonic acid (a cell membrane 
lipid), and act mainly by paracrine and autocrine mechanisms.   

Vitamins also act in ways that resemble hormones. For example, vitamin D3.  

Biochemical classification of hormones  

Hormones are classified into three biochemical categories:  

• Steroids  

• Proteins/peptides  

• Amines  

 

 

 

 

  

L1   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

Steroid hormones are produced by the adrenal cortex, testes, ovaries, and placenta. 

Synthesized from cholesterol, these hormones are lipid soluble; therefore, they cross 
cell  membranes  readily  and  bind  to  receptors  found  intracellularly.  However, 
because  their lipid solubility renders them insoluble in blood, these  hormones are 
transported in the blood bound to proteins.  

Furthermore, steroid hormones are not typically preformed and stored for future use 

within the endocrine gland, because they are lipid soluble, they could diffuse out of 
the cells and physiological regulation of their release would not be possible. Finally, 
steroid hormones are absorbed easily by the gastrointestinal tract and therefore may 
be administered orally.  

Protein/peptide  hormones  are  derived  from  amino  acids.  These  hormones  are 

preformed and stored for future use in membrane-bound secretory granules. When 
needed, they are released by exocytosis. Protein/peptide hormones are water soluble, 
circulate in the blood predominantly in an unbound form, and thus tend to have short 
half-lives. Because these hormones are unable to cross the cell membranes of their 
target  tissues,  they  bind  to  receptors  on  the  membrane  surface.  Protein/peptide 
hormones  cannot  be  administered  orally  because  they  would  be  digested  in  the 
gastrointestinal  tract.  Instead,  they  are  usually  administered  by  injection  (e.g., 
insulin).    

Amine hormones include the thyroid hormones and the catecholamines.   

The thyroid hormones tend to be biologically similar to the steroid hormones. They 

are mainly insoluble in the blood and are transported predominantly (>99%) bound to 
proteins. As such, these hormones have longer half-lives (triiodothyronine (T3) =24h; 
thyroxine(T4) =7 days). Furthermore, thyroid hormones cross cell membranes to bind 
with intracellular receptors and may be administered orally.    

The  catecholamines  are  biologically  similar  to  protein/peptide  hormones.  These 

hormones  are  soluble  in  the  blood  and  are  transported  in  an  unbound  form. 
Therefore, the catecholamines have a relatively short half-life.    

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

Lipid- versus Water-Soluble Hormones  

Hormones also can be classified depending on their solubility in the water or in the 

lipid  into  Lipid-Soluble  Hormones  like  (steroids,  thyroid  hormones)  and 
WaterSoluble Hormones like (peptides, proteins)  

 

 

Lipid-Soluble  

Hormones 

 

(steroids,thyroid 
hormones)  

 

Water-Soluble Hormones (peptides, 
proteins) 

 

Receptors 

 

 

 

Inside the cell  

 

Outer surface of the cell membrane 

 

Intracellular action 

 

Stimulates synthesis  of new 
proteins  

 

Production of second messengers, 
e.g., cAMP•  

 

Storage 

 

Synthesized 

as 

needed, 

except thyroid hormone 

 

Stored in vesicles 

 

 

 

Plasma transport 

 

Attached  to  proteins  that 
serve as carriers.  

 

Dissolved in plasma, (free, unbound) 

 

 

 

Half life 

 

Long (hours, days)  

 

Short (minutes) 

 

  

Feedback Control of Hormone Secretion  

The  endocrine  system,  like  many  other  physiological  systems,  is  regulated  by 

feedback mechanisms:  

1. Negative Feedback,     

2. Positive Feedback,   

   

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

Hormone receptors locations:  

The locations for the different types of hormone receptors are:  

1- On the cell membrane like protein hormones receptors.   

  

              Figure.  The cell membrane receptor.  

  

2. In  the  cytoplasm  like  steroid  hormones  receptors  (steroid  hormone  are  lipid 

soluble, thus they go directly into the target cell).  

3. In the nucleus, like thyroid hormones receptors.   

  

                  Figure .  The nuclear receptor.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

Receptors  are  dynamic  structures.  For  example,  decreased  hormone  levels  often 

produce an increase in receptor numbers by means of a process called upregulation
this increases the sensitivity of the body to existing hormone levels. In other cases, 
prolonged  exposure  to  high  hormone  concentrations  decrease  the  number  of 
receptors to the specific hormones in target cells, so that they respond less vigorously 
to hormonal stimulation, a phenomenon called down-regulation.    

Transport of hormones  

In most cases, 90% or more of steroid and thyroid hormones in the blood are bound 

to  plasma  proteins.  The  liver  produces  proteins  that  bind  lipid-soluble  hormones, 
e.g.:  

• Cortisol-binding globulin • Thyroid-binding globulin  

• Sex hormone-binding globulin (SHBG).  

Typically,  for  hormones  that  bind  to  carrier  proteins,  only  1  to  10%  of  the  total 

hormone  present  in  the  plasma  exists  free  in  solution.  However,  only  this  free 
hormone is biologically active. The free hormone and carrier-bound hormone are in 
a dynamic equilibrium with each other. When the concentration of the free form of 
a hormone decreases, then more of this hormone will be released from the binding 
proteins.     

The binding of hormones to plasma proteins has several beneficial effects, including:  

• Facilitation of transport  

Steroid and thyroid hormones are minimally soluble in the blood. Binding to plasma 

proteins renders them water soluble and facilitates their transport.  

• Prolonged half-life  

Protein binding also prolongs the circulating half-life  of these  hormones.  Because 

they are lipid soluble, they cross cell membranes easily. As the blood flows through 
the kidney, these hormones would enter cells or be filtered and lost to the urine if 
they were not held in the blood by the impermeable plasma proteins.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

• Hormone reservoir  

Finally, the protein-bound form of the hormone serves as a “reservoir” of hormone 

that minimizes the changes in free hormone concentration when hormone secretion 
from its endocrine gland changes abruptly.  

Modulation  

Liver dysfunction and  androgens can decrease  the  level of binding proteins while 

estrogens can increase the circulating level of binding proteins. For example, a rise 
in  circulating  estrogen  during  pregnancy  increase  the  circulating  level  of  binding 
proteins, which binds more  free hormone. The  transient decrease in free  hormone 
stimulate  gland  to  secrete  more  hormone  quickly  and  returns  the  plasma  free 
hormone to normal. Thus, assays of total hormone content during pregnancy might 
be  misleading, since free hormone  concentrations may  be  in the  normal range. In 
such cases, it is helpful to determine the extent of protein binding, so free hormone 
concentrations can be estimated.  

Functional classification of hormones  

Hormones are classified into two functional categories:  

• Trophic hormones  

• Nontrophic hormones  

A  trophic  hormone  acts  on  another  endocrine  gland  to  stimulate  secretion  of  its 

hormone.  For  example,  thyrotropin,  or  thyroid-stimulating  hormone  (TSH), 
stimulates  the  secretion  of  thyroid  hormones.  Adrenocorticotropin,  or 
adrenocorticotropic hormone (ACTH), stimulates the adrenal cortex to secrete the 
hormone cortisol. Both trophic hormones are produced by the pituitary gland; in fact, 
many trophic hormones are secreted by the pituitary.  

A  nontrophic  hormone  acts  on  nonendocrine  target  tissues.  For  example, 

parathormone released from the parathyroid glands acts on bone tissue to stimulate 
the release of calcium into the blood. Aldosterone released from the cortical region 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

of the adrenal glands acts on the kidney to stimulate the reabsorption of sodium into 
the blood.  

Mechanisms of Hormone Action  

Hormone action includes one or more of the following changes:  

1. By opening or closing ion channels in plasma membrane 2. 

Stimulates synthesis of proteins or regulatory molecules   

3.  Activates or deactivates enzymes.     

4.  Induces secretory activity.    

5.  Stimulates mitosis.  

       

  

   

 

L2  

Pituitary gland, or hypophysis, is a small gland-about 1cm. in diameter and 0.5 to 1 

gram in weight, located at the base of the brain just below the hypothalamus. The 
pituitary  gland  has  usually  been  thought  of  as  the  ‘‘master  gland’’  because  its 
hormone  secretions  control  the  growth  and  activity  of  other  endocrine  glands. 
Physiologically, the pituitary gland is divisible into two distinct portions:  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

1. 

The  anterior  pituitary,  also  known  as  the  adenohypophysis  originate  from 

Rathke's pouch, which is an embryonic invagination of the pharyngeal epithelium.  

2. 

The posterior pituitary, also known as the neurohypophysis  originate from a 

neural tissue outgrowth from the hypothalamus.       

  

Hypothalamic-anterior pituitary axis  

The  hypothalamus  oversees  most  endocrine  activity.  Special  cells  in  the 

hypothalamus secrete hormones influence the activity of the anterior pituitary gland. 
The  nerve  endings  all  come  together  in  the  median  eminence  region  of  the 
hypothalamus. The hormones are then secreted into the hypophyseal- portal system 
and transported to the anterior pituitary. The hormones are either releasing hormones 
(RH) or inhibiting hormones (IH). All hormones in this system are  water-soluble. 
The pattern of secretion of hormones in the hypothalamic-anterior pituitary system, 
is mainly pulsatile, a possible exception is the thyroid system. The pulsatile release 
of  GnRH  prevents  down  regulation  of  its  receptors  on  the  gonadotrophs  of  the 
anterior pituitary.   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

 

 

 

Hypothalamic releasing and hypothalamic inhibitory hormones The 

major hypothalamic releasing and inhibitory hormones are:  

1. Thyrotropin-releasing hormone (TRH) stimulate secretion of TSH.   

2. Corticotropin-releasing hormone (CRH) stimulate secretion of ACTH    

3. Prolactin-inhibiting factor (PIF) inhibits secretion of prolactin.   

4. Growth hormone inhibiting hormone (somatostatin) inhibits secretion of growth 

hormone by somatotropes.   

5. Growth  hormone-releasing  hormone  (GHRH)  stimulate  secretion  of  growth 

hormone.  

6. Gonadotropin-releasing  hormone  (GnRH)  stimulate  secretion  of  luteinizing 

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

Hormones of anterior pituitary  

There are five types of cells in the anterior pituitary:  

1. 

Somatotrophs  cells  (50%)  secrete  growth  (GH)  by  the  effect  of  GHRH 

secreted by hypothalamus. the secretion of GH inhibited by Somatostatin (GHIH).   

2. 

Corticotrophs cells (10-25 %) secrete ACTH by the effect of CRH secreted by 

hypothalamus. Adrenocorticotropin ACTH (corticotropin ) controls the secretion of 
some  of  the  adrenocortical  hormones,  which  affect  the  metabolism  of  glucose, 
proteins, and fats.   

3. 

Gonadotrophs  cell    (10-  15  %)    secrete  LH,  FSH  by  the  effect  of    GnRH 

secreted  by  hypothalamus.  Follicle-stimulating  hormone  (FSH)  and  luteinizing 
hormone (LH), control growth of the ovaries and testes.  

4. 

Thyrotrophs  cell  (10%)  secrete  thyroid-stimulating  hormone  (TSH)  or 

thyrotropin by the effect of TRH secreted by hypothalamus. TSH

 

controls the rate 

of  secretion  of  thyroxine  and  triiodothyronine  by  the  thyroid  gland,  and  these 
hormones control the rates of most intracellular chemical reactions in the body.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

10 

 

 

 

5. 

Lactotrophs  cell  (10-15%)  secrete  Prolactin.  The  secretion  of  prolactin 

inhibited  by  Prolactin-inhibiting  factor  (PIF).  Prolactin  promote  mammary  gland 
development and milk production.  

  

  

  

Growth Hormone (somatotropic hormone or somatotropin).   

Growth hormone (GH, somatotropin) is a single chain polypeptide comprising 191 

amino  acids  synthesized  and  secreted  by  cells  in  the  anterior  pituitary.  Growth 
hormone  promotes  growth  of  the  entire  body  by  affecting  protein  formation,  cell 
multiplication, and cell differentiation. This hormone is essential for normal growth 
and development of the skeleton as well as visceral, or soft, tissues from birth until 
young adulthood. Growth of the skeleton involves an increase in bone thickness and 
an increase in bone length. The mechanism of this growth involves stimulation of 
osteoblast (bone-forming cell) activity and proliferation of the epiphyseal cartilage 
in the ends of the long bones. The growth of visceral tissues occurs by hyperplasia 
(increasing the number of cells) and hypertrophy (increasing the size of cells).    


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

11 

 

 

 

The effects of GH on linear growth occurs indirectly through stimulation of insulin-

like growth factor (IGF)-1 also known as somatomedin C which are produced mainly 
by the liver. In children, with Laron-type dwarfism, GH levels are  

normal or elevated, but there is a hereditary defect in IGF production.  

Metabolic effects of GH  

Protein metabolism  

• Increase in tissue amino acid uptake  

• Stimulation of protein synthesis "protein sparer."  

Lipid metabolism  

• Increase in blood fatty acids  

• Stimulation of lipolysis  

• Inhibition of lipogenesis Carbohydrate metabolism  

• Increase in blood glucose  

• Decrease in glucose uptake by muscle  

• Increase in the hepatic output of glucose (glycogenolysis)  

The net effects of these actions include enhanced growth due to protein synthesis; 

enhanced availability of fatty acids for use by skeletal muscle as an energy source; 
and  glucose  sparing for  the  brain,  which  can  use  only  this  nutrient  molecule  as  a 
source of energy.  

   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

12 

 

 

 

  

    Figure: Action of GH  

  

Control of Growth Hormone Secretion  

GH  secretion  is  stimulated  by  hypoglycemia,  fasting,  starvation,  increased  blood 

levels of amino acids (particularly arginine), and stress conditions such as trauma, 
excitement,  emotional  stress,  and  heavy  exercise.  GH  is  inhibited  by  increased 
glucose  levels,  free  fatty  acid  release,  cortisol,  and  obesity.  However, its  primary 
controllers are:  

• 

Growth  hormone-releasing  hormone  (GHRH)  stimulates  both  the  synthesis 
and secretion of growth hormone.  

• 

Somatostatin (SS) or Growth hormone-inhibitory hormone (GHIH) it inhibits 
growth hormone release.  

• 

Ghrelin  is  a  peptide  hormone  secreted  from  the  stomach.  Ghrelin  binds  to 
receptors  on  somatotrophs  and  potently  stimulates  secretion  of  growth 
hormone.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

13 

 

 

 

• 

High blood levels of IGF-I lead to decreased secretion of GH.  

Growth hormone also feeds back to inhibit GHRH secretion.  

The  secretion  of  GH  follows  a  diurnal  rhythm  with  GH  levels  low  and  constant 

throughout the day and with a marked burst of GH secretion approximately one hour 
following the onset of sleep.

 

In most individuals, production of GH decreases after 

30 years of age, this decrease in GH production is likely a critical factor in the loss 
of lean muscle mass at a rate of 5% per decade and gain of body fat at the same rate 
after 40 years of age.  

Gigantism  

A  tumor  of  the  anterior  pituitary  existing  prior to  puberty  causes  secretion  of  too 

much  human  growth  hormone,  resulting  in  gigantism.  The  acceleration  of  bone 
growth  in  this  condition  results  in  a  person  with  normal  proportions  but  taller-
thannormal height.  

Dwarfism  

When  the  levels  of  secretion  of  human  growth  hormone  (hGH)  by  the  anterior 

pituitary are  insufficient or the  production of IGF-1 is low prior to puberty, bone 
growth is impaired and the individual does not grow to normal height. A person with 
pituitary  dwarfism  has  normal  body  proportions  but  overall  shorter-thannormal 
height.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

14 

 

 

 

  

Acromegaly   

Is a disorder in which too much growth hormone is produced in adults. This disorder 

is  caused  by  an  increased  production  of  growth  hormone  or  by  a  tumor  of  the 
pituitary gland. The primary signs and symptoms include enlargement of the bones 
in the entire skull as well as in the hands and feet, and thickening of the skin other 
symptoms include headache, fatigue, profuse sweating, weight gain, excessive hair 
production, cardiovascular diseases, arthritis, and vision problems.  

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

15 

 

 

 

Posterior Pituitary Gland L3  

The bodies of the cells that secrete the posterior pituitary hormones are not located 

in  the  pituitary  gland  itself  but  are  large  neurons,  called  magnocellular  neurons, 
located  in  the  supraoptic  and  paraventricular  nuclei  of  the  hypothalamus.  The 
hormones are then transported in the axoplasm of the neurons’ nerve fibers passing 
from the hypothalamus to the posterior pituitary gland. The two hormones secreted 
by the posterior pituitary are.   

1. Antidiuretic hormone (also called vasopressin) controls the rate of water excretion 

by the kidney, thus helping to control the concentration of water in the body.   

2. Oxytocin, this hormone has two functions:  

(a) it helps express milk from the glands of the breast to the nipples during suckling   

(b) it possibly helps in the delivery of the baby at the end of gestation.   

  

Figure: hypothalamic-pituitary vasculature  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

16 

 

 

 

Regulation of ADH (AVP) secretion  

ADH  (Arginine  vasopressin)  is  a  nine  amino  acid  peptide,  it  increase  water 

reabsorption in the collecting ducts of the kidney. This is achieved by binding to the 
G-protein-coupled  V2 receptor in the basolateral membrane  of the collecting duct 
cells.    

 Antidiuretic hormone secretion is regulated by several factors:  

• Plasma osmolarity  

• Blood volume  

• Blood pressure  

• Alcohol  
factors that increase ADH secretion   factors that decrease ADH secretion  

↑ Plasma osmolarity  

↓ Plasma osmolarity  

↓ Blood volume  

↑ Blood volume  

↓ Blood pressure  

↑ Blood pressure  

Hypoxia, Nausea  

  Alcohol  

  Morphine, Nicotine  

  Clonidine (antihypertensive drug)  

  Cyclophosphamide  

  Haloperidol (dopamine blocker)  

   

Diabetes lnsipidus (DI) is a condition characterized by large amounts of dilute urine 

and increased thirst. The amount of urine produced can be nearly 20 liters per day.   

-Central DI (CDI) is due to a lack of the hormone vasopressin (antidiuretic hormone). 

This can be due to damage to the hypothalamus or pituitary gland or genetics.

 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

17 

 

 

 

-Nephrogenic  diabetes  insipidus  (NDI)  occurs  when  the  kidneys  do  not  respond 

properly to vasopressin  

Oxytocin  

Oxytocin  stimulates  contraction  of  the  smooth  muscle  in  the  wall  of  the  uterus. 

During labor, this facilitates the delivery of the fetus and, during intercourse, may 
facilitate the transport of the sperm through the female reproductive tract. Oxytocin 
also  causes  contraction  of  the  myoepithelial  cells  surrounding  the  alveoli  of  the 
mammary glands. This results in “milk letdown” or the expulsion of milk from deep 
within  the  gland  into the  larger  ducts from which  the  milk  can  be  obtained  more 
readily by the suckling infant.  

The secretion of oxytocin is regulated by reflexes elicited by cervical stretch and by 

suckling. The release of oxytocin may be inhibited by pain, fear, or stress.  

   

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

18 

 

 

 

   

  

  

     

 

The thyroid gland is a butterfly-shaped structure lying over the ventral surface of the 

trachea  just  below  the  larynx.  This  gland  produces  two  classes  of  hormones 
synthesized by two distinct cell types:  

• Thyroid hormones (T3 and T4) synthesized by follicular cells  

• Calcitonin synthesized by parafollicular cells  

  

 

 

 

 

L4   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

19 

 

 

 

Thyroid Follicle  

The  thyroid  gland  is  composed  of  a  large  number  (3million)  of  tiny,  saclike 

structures called follicles. These are the functional units of the thyroid. Each follicle 
is formed by a single layer of epithelial (follicular) cells and is filled with a secretory 
substance called colloid, which consists largely of a glycoproteintyrosine complex 
called  thyroglobulin.  Each  follicle  is  surrounded  by  a  dense  capillary  network 
separated  from  epithelial  cells  by  a  well  defined  basement  membrane.  The  apical 
membranes of the follicular cells, which face the lumen, are covered with microvilli 
and  pseudopods  formed  from  the  apical  membrane  extend  into  the  lumen.  The 
amount of thyroid hormones stored within the colloid is enough to supply the body 
for 2 to 3 months.  

Parafollicular Cells   

In  addition  to  the  epithelial  cells  that  secrete  T4  and  T3,  the  wall  of  the  thyroid 

follicle  contains  small  numbers  of  parafollicular  cells.  The  parafollicular  cell  is 
usually embedded in the wall of the follicle, inside the basal lamina surrounding the 
follicle. Parafollicular cells produce and secrete the hormone calcitonin.  

  

  

Figure: thyroid follicle.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

20 

 

 

 

  

Synthesis of thyroid hormone  

The steps involved in the synthesis of thyroid hormone are:  

1. Synthesis and Secretion of the Thyroglobulin.  

Thyroglobulin  is  synthesized  in  the  follicular  cells,  then  it  enters  the  lumen  via 

exocytosis. This large protein contains tyrosyl groups.  

2. Iodide Uptake  

Iodide uptake is via a sodium/iodide symporter on the basal membrane (NIS). This 

pump can raise the concentration of I within the cell to as much as 250 times that of 
plasma. The pump can be blocked by anions like perchlorate and thiocyanate, which 
compete  with  Iodine.  The  NIS  derives  its  energy  from  Na

+

/  K

+

-  ATPase,  which 

drives the process.  

3. Oxidation of Iodide  

Once Iodide  is pumped  into the  cell, it traverses the  cell to the  apical membrane, 

where it is oxidized into iodine

 

atoms, by Thyroid peroxidase. Thyroid peroxidase is 

inhibited by polythiouracil (PTU), which blocks the synthesis of thyroid hormones 
by blocking all of the steps catalyzed by thyroid peroxidase.   

   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

21 

 

 

 

  

Figure: thyroid hormone synthesis and secretion  

4. Iodination  

At the apical membrane, just inside the lumen of the follicle, iodine

 

atoms combines 

with the tyrosine moieties of thyroglobulin, to form monoiodotyrosine (MIT). The 
iodination of thyroglobulin is catalyzed by the enzyme thyroid  peroxidase. A second 
iodine atom may be added to a MIT residue by this same enzymatic process, forming 
a diiodotyrosine (DIT).   

5. Coupling  

Peroxidase enzyme promotes the coupling of iodinated tyrosine in the thyroglobulin 

molecule. When two DITs couple, tetraiodothyronine (T4) is formed. When one DIT 
and one MIT combine, triiodothyronine (T3) is formed.   The hormones stored in the 
follicular  lumen  as  colloid  until  the  thyroid  gland  is  stimulated  to  secrete  its 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

22 

 

 

 

hormones. The thyroid is unique among endocrine glands in that it stores its product 
extracellularly in follicular lumens as large precursor molecules.  

Secretion of T3 and T4 from the Thyroid Gland  

1.Pinocytosis:  Pieces  of  the  follicular  colloid  are  taken  back  into  the  follicle  by 

endocytosis.  

2.Fusion: The endocytosed material fuses with lysosomes, which transport it toward 

the basal surface of the cell.  

3.Proteolysis  of thyroglobulin:  Within  the  lysosomes, the  thyroglobulin  is  broken 

into T4, T3, DIT, and MIT.  

4.Secretion: T4 and T3 are secreted into the blood, with the T4:T3 ratio being as high 

as 20:1 .   

5.Deiodination:  A  microsomal  deiodinase  removes  the  iodine  from  iodinated 

tyrosines (DIT and MIT) but not from the  iodinated  thyronines (T3 and  T4). The 
iodine is then available for resynthesis of hormone. (Individuals with a deficiency of 
this enzyme are more likely to develop symptoms of iodine deficiency).  

  

Conversion of T4 to T3  

T4 is the major secretory product of the thyroid gland and is the predominant thyroid 

hormone in the blood. However, about 40% of the T4 secreted by the thyroid gland 
is  converted  to  T3  by  enzymatic  removal  of  the  iodine  atom  at  position  5

-

  of the 

thyronine ring structure. This reaction is catalyzed by a 5

-

 deiodinase located in the 

liver,  kidneys,  and  thyroid  gland.  The  T3  formed  by  this  deiodination  and  that 
secreted  by  the  thyroid  react  with  thyroid  hormone  receptors  in  target  cells; 
therefore, T3 is the physiologically active form of the thyroid hormones.  

Transport of Thyroxine and Triiodothyronine to Tissues  

About 70% of the circulating thyroid is bound to thyroid-binding globulin (TBG). 

The  remainder  is  attached  to  thyroxine-binding  pre  albumin  (transthyretin)  and 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

23 

 

 

 

albumin. T4 has the  higher affinity for binding proteins; therefore,  it binds more 
tightly to protein than does T3, and consequently has a greater half-life thanT3.  

• T4 half-life = 7 days                • T3 half-life = 1 day  

Metabolism of thyroid hormones  

Both T4, T3 undergo enzymatic deiodinations, particularly in the liver and kidneys, 

which  inactivate  them.  T4  and,  to  a  lesser  extent,  T3  are  also  metabolized  by 
conjugation with glucuronic acid in the liver. The conjugated hormones are secreted 
into the bile and eliminated in the feces.    

Physiologic actions of thyroid hormones  

1. Metabolic  Rate,  thyroid  hormones  increase  metabolic  rate,  as  evidenced  by 

increased O

2

 consumption and heat production.it also increase the activity of the 

membrane-bound Na/K- ATPase in many tissues.  

2. Thyroid hormones are essential for normal menstrual cycles.    

3. Growth and Maturation (T 4 and T 3 are anabolic hormones), thyroid hormones 

are  absolutely necessary for normal brain maturation, without adequate  thyroid 
hormones  during  the  prenatal  period,  abnormalities  rapidly  develop  in  nervous 
system  maturation.  These  abnormalities  lead  to  mental  retardation  and  lead  to 
cretinism unless replacement therapy is started soon after birth.  

4. Lipid  Metabolism,  thyroid  hormone  accelerates  cholesterol  clearance  from  the 

plasma.    

5. CHO Metabolism, thyroid hormone increases the rate of glucose absorption from 

the small intestine.  

6. Cardiovascular Effects  

Thyroid  hormones  increase  cardiac  output  by  increasing  heart  rate  and  stroke 

volume. It increase contractility by increasing the number and affinity of βadrenergic 
receptors in the heart to catecholamines (positive inotropic), it act on the SA node, 
and directly increase heart rate (positive chronotropic effects).   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

24 

 

 

 

Disorders of thyroid function 

Hypothyroidism   

Hypothyroidism is a common endocrine 

disorder that affects about 1% of the adult 
population at some times. Inadequate 
thyroid hormone production can result 
from failure at the level of thyroid gland 
itself (primary hypothyroidism), or it can 
be due to a lack of stimulation from TSH. 
Low TSH levels can result from pituitary 
dysfunction (secondary hypothyroidism) 
or from lack of pituitary stimulation by 
hypothalamic  

TRH  (tertiary 

hypothyroidism).  

   

Primary Hypothyroidism 

 

L5  

Most common cause is an autoimmune destruction of the thyroid with lymphocytic 

infiltration like Hashimoto's thyroiditis; TSH increased while, T3 and T4 decreased. 
The condition characterized by:  

• Decreased basal metabolic rate and oxygen consumption  

• Plasma cholesterol and other blood lipids tend to be elevated.  

• Anemia, constipation, horseness in speech, the skin is dry and cool  

• Accumulation of subcutaneous mucopolysaccharides that give rise to a nonpitting 

edema (myxedema).  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

25 

 

 

 

Cretinism  

Untreated  postnatal  hypothyroidism  results  in 

cretinism,  a  form  of  dwarfism  with  mental 
retardation. T4 supplementation begun in the first 
6 weeks of life results in normal intelligence.  

Acquired  hypothyroidism  during  childhood 

results  in  dwarfism  but  there  is  no  mental 
retardation.

 

A  major  way  thyroid  hormones 

promote normal body growth is by stimulating the 
expression of the gene for growth hormone (GH
in the somatotrophs of the anterior pituitary gland.

 

In  a  thyroid  hormone-deficient  individual,  GH 
synthesis by the somatotrophs is greatly reduced 
and  consequently  GH  secretion  is  impaired; 
therefore, a thyroid hormone-deficient individual 
will also be GHdeficient.  

  

Primary Hyperthyroidism (Graves' Disease)  

Thyrotoxicosis  by  definition  is  the  clinical 

syndrome  whereby  tissues  are  exposed  to  high 
levels of thyroid hormone (hyperthyroidism).The 
most common cause of thyrotoxicosis is  Graves' 
disease, an autoimmune problem due to antibody 
formation against the TSH receptor in the plasma 
membranes  of  thyroid  follicular  cells.

 

These 

antibodies  bind  to  the  TSH  receptor,      and 
produces  effects  similar  to  those  caused  by  the 
action  of  TSH.  In  Graves'  disease  the  thyroid  is 
symmetrically 

enlarged. 

Cardiac 

output, 

contractility,  and  heart  rate  are  increased  with 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

26 

 

 

 

possibly  palpitations  and  arrhythmias.  Weight  loss  with  increased  food  intake, 
protein wasting and muscle weakness. Tremor, nervousness, and excessive sweating. 
The  wide-eyed  stare  (exophthalmos)  in  patients  with  Graves'  is  caused  by  an 
infiltration of orbital soft tissues and extraocular muscles and the resulting edema.  

Goiter  

  

A  goiter  is  simply  an  enlarged 

thyroid  and  does  not  designate 
functional status. A goiter can be 
present  in  hypo-,  hyper-,  and 
euthyroid states.  

There  is  no  correlation  between 

thyroid size and function.

 

  

A generalized enlargement of  

the  thyroid is considered a "diffuse  goiter. Diffuse enlargement often results from 

prolonged  stimulation  by  TSH  or  TSH-like  factor;  e.g.,  Hashimoto's  thyroiditis, 
Graves' disease, diet deficient in iodine.  

About 99% of calcium is stored in the bones and only about 1% is in the cells, and 

0.1  %  of  body  calcium is  in the  extracellular  fluid.  The  bones  can  serve  as  large 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

27 

 

 

 

reservoirs, releasing calcium when  extracellular fluid concentration decreases and 
storing  excess  calcium.  40%  of  the  total  blood  Ca

2+

  is  bound  to  plasma  proteins, 

mainly albumin, 10% is complexed to anions (e.g., phosphate, sulfate, and citrate) 
and  50% are  free ionized Ca

2+

 and  it is the  only form of Ca

2+

 that is  biologically 

active. The calcium concentration in the interstitial fluid is 100 times higher than the 
intracellular calcium concentration.     

Factors affect ECF calcium   

Extracellular fluid calcium concentration normally is 2.4 mmol/L, calcium plays a 

key  role  in  contraction  of  muscles;  blood  clotting;  and  transmission  of  nerve 
impulses. A number of factors can effect ECF calcium concentration:   

1. Increases in plasma protein concentration increases total Ca

2+

 concentration.  

2. Increases plasma phosphate, decrease the ionized (free) Ca

2+

 concentration.   

3. Acidosis increases concentration of ionized (free) Ca

2+

.   

4. Alkalosis decreases concentration of ionized (free) Ca

2+

  

The usual daily intake of calcium is about  1000 mg. Vitamin D promotes calcium 

absorption by the intestines. About 90% (900 mg/day) of the daily intake of calcium 
is excreted in the feces.   

  

Parathyroid hormone (PTH)  

Physiologic Anatomy of the Parathyroid Glands.   

There are four parathyroid glands in humans; they are located immediately behind 

the  thyroid  gland.  The  parathyroid  gland  contains  mainly  chief  cells  and  oxyphil 
cells. The chief cells are believed to secrete most of the PTH.  

Control of PTH secretion   

The rate of PTH secretion is regulated by the following three factors:  

1. Plasma free Ca

2+

.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

28 

 

 

 

A decrease in the plasma Ca

2+

 is the most potent stimulus for PTH secretion. Chief 

cells  sense  plasma  Ca

2+

  concentration  through  expression  of  the  extracellular 

Ca

2+

sensing receptor (CaSR).    

2. Plasma phosphate.   

A prolonged increase in phosphate concentration stimulates PTH secretion.  

3. Vitamin D.   

PTH stimulates vitamin D synthesis, which exerts negative feedback inhibition on 

PTH secretion.    

  

                                                   Figure: Control of PTH secretion 

 

Calcium-sensing receptor (CaSR)   

The cells of the parathyroid gland and the basolateral membrane of cells in Thick 

segment  of  loop  of  Henle  contain  CaSR,  this  receptors  influence  by  the  plasma 
concentration  of  calcium.  when  plasma  calcium  level  is  high  CaSR  is  activated 

which in turn lead to inhibition of the Na

+

-K

+

-2Cl

-

 transporter• This will decrease 

K

+

 movement from cell into lumen, reducing the positive luminal potential which in 

turn,  decreases  calcium  reabsorption  and  return  plasma  calcium   concentration  to 
normal level.   

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

29 

 

 

 

  

Figure. Calcium-sensing receptor (CaSR). 

 

Actions of PTH  

A  decrease  in  the  free  calcium  is  the  signal  to  increase  PTH  secretion  and  the 

function of PTH is to raise free calcium, which it does by several mechanisms.  

• Increases Ca

2+

 reabsorption in distal tubule of the kidney.  

• Inhibits phosphate reabsorption in proximal tubule of the kidney.  

• Stimulates the 1-alpha-hydroxylase enzyme in kidney, converting inactive vitamin 

D  to  its  active  form  which  in  turn  increase  intestinal  reabsorption  of  Ca

2+

  and 

phosphate.  

• PTH  bind  to  osteoblasts  (cells  responsible  for  osteoid  synthesis)  inducing  the 

synthesis of specific proteins, which activate the already present osteoclasts (cells 
responsible  for bone  resorption) and  stimulate  the  formation of new osteoclasts. 
Osteoclasts in turn causes bone resorption, releasing Ca

2+

 and phosphate into the 

blood.    


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

30 

 

 

 

Calcitonin  

Calcitonin  (CT)  is  a  peptide  hormone  secreted  by  the  parafollicular  cells  of  the 

thyroid gland. It is released in response to elevated free calcium. Calcitonin lowers 
plasma  calcium  by  decreasing  the  activity  of  osteoclasts,  thus  decreasing  bone 
resorption, this results in less demineralization of the bone and therefore a decrease 
in the release of calcium and phosphate from the bone into the blood. Calcitonin has 
no direct effect on bone formation by osteoblasts.  

Calcitonin  is  useful  in  the  treatment  of  severe  hypercalcemia,  osteoporosis  and 

Paget's disease (disease characterized by a significant increase in osteoclast activity 
and, thus, a high rate of bone turnover and hypercalcemia),    

Vitami D (calcitriol)    

Vitamin D3 (also called cholecalciferol) 

is  formed  in  the  skin  as  a  result  of 
irradiation  of  7-dehydrocholesterol,  by 
ultraviolet rays from the sun. Vitamin D 
also provided in the diet. The first step in 
the activation of cholecalciferol is to  

hydroxylate  

it  

into  

25- 

hydroxycholecalciferol, in the liver 

which also is inactive. In the kidney, 
25hydroxycholecalciferol hydroxylated 
at the C1 position to produce 
1,25dihydroxycholecalciferol, which is 
the physiologically active form. C1 
hydroxylation is catalyzed by the 
enzyme 1α-hydroxylase, which is 
regulated by several factors, including the plasma Ca

2+

 concentration and PTH.   

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

31 

 

 

 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

32 

 

 

 

  

Actions of Calcitriol  

Vitamin D acts to raise plasma Ca

2+

 and phosphate. Thus, vitamin D promotes bone 

deposition. This is accomplished by   

1. Calcitriol increases the absorption of Ca

2+

 and phosphate by the intestinal mucosa 

by increasing the production of the Ca

2+

 -binding protein calbindin.    

2. Calcitriol enhances PTH's action at the renal distal tubule.  

   

  

Sex steroids and bone  

The sex steroids estradiol (in females) and testosterone (in males) are required for 

maintenance  of  normal  bone  mass.  In  postmenopausal  women,  there  is  a  marked 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

33 

 

 

 

decline  in  estradiol  levels,  which  is  associated  with  a  loss  of  bone  mass,  called 
osteoporosis, and  a  corresponding  increase  in  bone  fractures.  Osteoporosis  is  less 
common in males due to a smaller and more gradual decline in testosterone levels 
with age.  

Rickets   

A deficiency of vitamin D during childhood causes a bone deformity called rickets, 

which is due to the poor mineralization of bone. Classic clinical finding is bowing 
of the lower legs.    

       

  

  

      

 

The  adrenal  glands  consist  of  two  functionally  distinct  parts:  the  adrenal  cortex, 

which  secretes  steroids,  and  the  adrenal  medulla,  which  secretes  catecholamines. 
Each  adrenal  glands  weighs  about  4  grams,  lie  at  the  superior  poles  of  the  two 
kidneys.

 

   

 

 

 

 

  

  

  

  

L6   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

34 

 

 

 

  

Figure: Anatomy of adrenal glands. 

 

  

Synthesis of adrenocortical hormones  

All Adrenocortical hormones are synthesized from cholesterol. Although the cells of 

the  adrenal  cortex  can  synthesize  small  amounts  of  cholesterol  from  acetate, 
approximately 80% of the cholesterol used for steroid synthesis is provided by low-
density lipoproteins (LDL) in the circulating plasma.  

The adrenal medulla is distinct from the adrenal cortex and consists of chromaffin 

cells, which are embryologically derived from the neuronal precursor (neural crest) 
cells.  The  adrenal  medulla  is  richly  innervated  by  preganglionic  sympathetic 
neurons, which release acetylcholine as their neurotransmitter. Chromaffin cells are 
the functional equivalent of the postganglionic neurons of the sympathetic nervous 
system.  Chromaffin  cells  mainly  secrete  epinephrine  plus  a  small  amount  of 
norepinephrine in response to preganglionic stimulation.     


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

35 

 

 

 

The adrenal cortex forms the outer portion of the adrenal gland and accounts for 80 

to 90% of the weight of the gland. It composed of three layers:   

1.The zona glomerulosa, which secrete  aldosterone.   

2.The zona fasciculate, and secretes the glucocorticoids, as well as small amounts of 

adrenal androgens and estrogens.   

3.The  zona  reticularis,  secretes  the  adrenal  androgens  androstenedione  and 

dehydroepiandrosterone (DHEA).   

  

      

  

➢ M

 

inera

 

locorticoids  

 

The primary mineralocorticoid is aldosterone. The actions of this hormone include:  

• Stimulation of renal retention of sodium  

• Promotion of renal excretion of potassium  

Aldosterone synthesis takes place only in the outer (glomerulosa) cell layer where 

Aldosterone synthase is normally expressed.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

36 

 

 

 

Aldosterone receptors  

The  effects  of  aldosterone  are  mediated  via  the  mineralocorticoid  receptor  in 

principal cells of renal tubule. Aldosterone increases the number of luminal ENaC 
channels, increases their  open  time,  and  increases the  synthesis  of  the  basolateral 
Na

+

-K

+

  ATPase.  The  net  effect  is  increased  sodium  reabsorption  and  potassium 

secretion.   

The  release  of  aldosterone  from  the  adrenal  cortex  is  regulated  by  two  important 

factors:  

• Serum potassium levels  

• The Renin-Angiotensin-Aldosterone System (RAAS).  

Increased  potassium  ion  concentration  in  the  extracellular  fluid  greatly  increases 

aldosterone secretion.   

The Renin-Angiotensin-Aldosterone System  

The  main  sensory  stimulus  for  activation  of  RAAS  start  in  the  kidney  at 

juxtaglomerular cells which secrete the enzyme renin in response to these factors:  

• Decrease in blood volume  

• Decrease in blood pressure  

• Sympathetic stimulation   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

37 

 

 

 

  

Figure: the renin angiotensin aldosterone system (RAAS). 

 

The RAAS play important role in regulation of blood pressure and cardiac output. 

Blood pressure is monitored by the juxtaglomerular apparatus. When renal perfusion 
pressure  decreases,  secretion  of  renin  increases.  Any  condition  that  decreases 
pressure in the renal artery (e.g., hemorrhage, prolonged sweating) stimulate renin 
secretion.  Renin  is  an  enzyme  that  converts  a  circulating  protein  produced  in  the 
liver,  angiotensinogen,  also  called  renin  substrate,  into  angiotensinI.  Angiotensin 
converting enzyme (ACE), found mainly in endothelial cells of pulmonary vessels, 
converts angiotensin I into angiotensin II. Angiotensin II has potent effects:   

•  Cause arteriolar vasoconstriction.   

•  Stimulate secretion of aldosterone, which in turn increase Na

+

 reabsorption by 

the renal tubule.   

•  Increases ADH release from posterior pituitary  

•  Increases thirst  

•  It also directly stimulates reabsorption of sodium in the proximal tubule.  

Volume-depleted states tend to produce metabolic alkalosis. Why?   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

38 

 

 

 

Disorders of adrenal functions -Primary hyperaldosteronism   

Primary Aldosteronism is due to excessive and inappropriate aldosterone production, 

the  disease  is  usually  the  result  of  an  aldosterone-producing  adrenal  adenoma 
(Conn’s  syndrome).     

Symptoms include:  

•  Hypertension due to excessive retention of Na

+

 and fluids by the kidney.  

•  Hypokalemia due to increased urinary K

+

 excretion.   

Potassium depletion is responsible for the muscle weakness and fatigue due to the 

effect of potassium depletion on the muscle cell membrane.  

•  Metabolic alkalosis due to increased urinary H

+

 excretion.  

-Secondary hyperaldosteronism   

Secondary  hyperaldosteronism  occurs  in  response  to  activation  of  the 

reninangiotensin-aldosterone axis.  Examples of conditions that result in secondary 
hyperaldosteronism  include  renal  artery  stenosis,  cirrhosis,  and  congestive  heart 
failure.  

   

  

    

➢ Glucocorticoids  

 

The primary glucocorticoid is cortisol.  Cortisol affects many cell types due to the 

wide expression of glucocorticoid receptors. Free cortisol molecules diffuse into the 
target cells and bind to the cytoplasmic glucocorticoid receptors.  

The main physiologic actions of glucocorticoids include    

•  Increase in blood glucose  
•  Increase in blood free fatty acids  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

39 

 

 

 

•  Suppress the immune system and block the inflammatory response to allergic 

reactions.    

Cortisol increases blood glucose by several mechanisms of action including:  

1- Decrease in glucose utilization by many peripheral tissues (especially muscle and 

adipose tissue)  

2- Increase in availability of gluconeogenic substrates  

• Increase in protein catabolism (especially muscle)  

• Increase in lipolysis  

3- Increase in hepatic gluconeogenesis.  

  

Circadian variation of cortisol secretion  

Cortisol secretion has a circadian variation, with hormone levels highest in the early 

morning hours and lower during late afternoon and evening. The circadian rhythm 
of cortisol helps the body in becoming active and alert in the morning and in reducing 
activity prior to sleep. Variations in cortisol secretion reflect the pulsatile release of 
CRH and ACTH.  

  

Figure: circadian rhythm of glucocorticoid secretion. 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

40 

 

 

 

Cortisol and stress  

Cortisol  is  an  important  component  of  the  body’s  response  to  physical  and 

psychological  stress.  Nervous  signals  regarding  stress  are  transmitted  to  the 
hypothalamus and the release of CRH is stimulated. The resulting increase in cortisol 
increases levels of glucose, free fatty acids, and amino acids in the blood, providing 
the  metabolic  fuels  that  enable  the  individual  to  cope  with  the  stress.  A  potent 
inhibitor  of  this  system  is cortisol  itself.  This  hormone  exerts  a  negativefeedback 
effect on the  hypothalamus and the  adenohypophysis and inhibits the  secretion of 
CRH and ACTH, respectively.  

  

Figure: control of adrenocorticotropin and cortisol secretion. 

 

Glucocorticoid Hormone Excess  

The term Cushing syndrome refers to the manifestations of hypercortisolism from 

any cause.    

Characteristics of Cushing Syndrome  

•  Obesity because of hyperphagia, classically central affecting mainly the face, 

neck, trunk, and abdomen: "moon face" and "buffalo hump"  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

41 

 

 

 

•  Protein depletion as a result of excessive protein catabolism   Inhibition of 

inflammatory  response  and  poor  wound  healing    Hyperglycemia  leads  to 
hyperinsulinemia and insulin resistance.  

•  Hyperlipidemia  
•  Bone breakdown and osteoporosis  
•  Thinning of the skin with wide purple striae located around abdomen and hips.      

   

  

 

  

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

42 

 

 

 

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

43 

 

 

 

Hypocortisolism (Addison's disease)  

About  80%  of  cases  of  cortisol  deficiency  are  of  autoimmune  origin,  cortisol 

deficiency  leads  to  weakness,  fatigue,  anorexia,  weight  loss,  hypotension, 
hyponatremia, hypoglycemia.  

ACTH  has  melanocyte-stimulating  activity  when  present  in  the  blood  at  high 

concentrations.  Humans  who  have  high  blood  levels  of  ACTH,  as  a  result  of 
Addison’s disease or an ACTH-secreting tumor are often hyperpigmented.    

  

Adrenal androgens. The predominant androgens produced by the adrenal cortex are 

dehydroepiandrosterone (DHEA) and androstenedione. These steroid hormones are 
weak  androgens;  however,  in  peripheral  tissues  they  can  be  converted  to  more 
powerful  androgens,  such  as  testosterone,  or  even  to  estrogens.  The  quantities  of 
these  hormones  released  from  the  adrenal  cortex  are  very  small.  Therefore,  the 
contribution of this source of these  hormones to androgenic effects in the male  is 
negligible compared to that of the testicular androgens. However, the adrenal gland 
is the major source of androgens in females. These hormones stimulate pubic and 
axillary  (under  arm)  hair  development  in  pubertal  females.  In  pathological 
conditions in which adrenal androgens are overproduced, masculinization of females 
may occur.  

   

   

   

  

   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

44 

 

 

 

         

L7  

The pancreas is composed of two major types of tissues:  

(1) The acini, which secrete digestive juices into the duodenum.  

(2) The islets of Langerhans (Endocrine Pancreas).  

The  endocrine  cells  of  the  pancreas  are  arranged  in  clusters  called  the  isletʹs  of 

Langerhans,  which  compose  1%  to  2%  of  the  pancreatic  mass.  There  are 
approximately 1-2 million islets of Langerhans, each about 0.3  mm in diameter. The 
islets  of  Langerhans  contain  four  cell  types,  and  each  cell  secretes  a  different 
hormone or peptide The β cells compose 60% of the islet and secrete insulin. The α 
cells
 compose 25% of the islet and secrete  glucagon. The delta (δ) cells compose 
10% of the islet and secrete somatostatin, the PP cell, is present in small numbers 
in  the  islets  and  secretes  a  hormone  of  uncertain  function  called  pancreatic 
polypeptide 

  

Figure: physiologic anatomy of an islet of langerhans in the pancreas. 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

45 

 

 

 

Structure and Synthesis of Insulin   

Insulin synthezised as preprohormone then cleaved in the endoplasmic reticulum to 

form a proinsulin most of this is further cleaved in the Golgi apparatus to form insulin 
and  C-  peptide  fragments  before  being  packaged  in  the  secretory  granules.  Both 
insulin and C- peptide are secreted together. C-peptide may serve a protective role, 
helping  to  prevent  the  renal,  neural,  and  microvascular  pathologies.  Urinary 
excretion of C- peptide is a useful marker of insulin production.  

  

  

Figure: Structure of insulin. The connecting peptide (C- peptide) is cleaved to form insulin. 

 

 

 

  

A chain (21 amino acids) and a B chain (30 amino acids)  

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

46 

 

 

 

Specifically, insulin exerts its important actions on the following tissues:  

Liver  

• Increase in glucose uptake  

• Increase in glycogenesis (formation of glycogen, the storage form of glucose)  

• Increase in lipogenesis (formation of triglycerides, the storage form of lipids)  

Adipose tissue  

• Increase in glucose uptake  

• Increase in free fatty acid uptake  

• Increase in lipogenesis Muscle  

• Increase in glucose uptake  

• Increase in glycogenesis  

• Increase in amino acid uptake  

• Increase in protein synthesis  

Insulin  is  the  only  hormone  that  lowers  blood  glucose.  (epinephrine,  growth 

hormone, cortisol, and glucagon increase blood glucose). It does so by stimulating 
the uptake of glucose from the blood into the liver, adipose tissue, and muscle. This 
glucose is first used as an energy source and then stored in the form of glycogen in 
the liver and in muscle. Excess glucose is stored as fat in adipose tissue.  

Insulin is a major anabolic hormone, which is secreted in response to a carbohydrate- 

and/or  protein-containing  meal.  Anabolic  hormones  tend  to  promote  protein 
synthesis  (increase  lean  body  mass).  Other  anabolic  hormones  include,  Thyroid 
hormones, Growth hormone/IGF I and Sex steroids (androgens)  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

47 

 

 

 

Metabolic Actions of Insulin 1. Effect of Insulin on Carbohydrate Metabolism  

•  Insulin increases the uptake of glucose in muscle and fat tissue by directing 

the insertion of glucose transporters (GLUT 4) into the cell membranes.     

•  Insulin promotes the formation of glycogen from glucose in the liver and in 

muscle  by  increasing the  activities  of the  enzymes  glycogen synthase,        

Insulin inhibits glycogenolysis (glycogen breakdown).  

•  Insulin  also  promotes  conversion  of  excess  glucose  into  fatty  acids  and 

inhibits gluconeogenesis in the liver.  

  

  

Figure: effect of insulin on carbohydrate metabolism 

 

  

2.Effect of Insulin on Fat Metabolism  

 Insulin increase fat storage in adipose tissue by   

•  Insulin increases the utilization of glucose by most of the body's tissues, which 

automatically decreases the utilization of fat, thus functioning as a fat sparer.   

•  Insulin promotes the conversion of glucose to triglycerides.    


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

48 

 

 

 

•  Insulin  decrease  triglyceride  breakdown  (lipolysis)  in  adipose  tissue  by 

decreasing the activity of hormone-sensitive lipase. This enzyme is activated 
by stress hormones (i.e., cortisol, growth hormone, epinephrine, glucagon) .  

3. Effect of Insulin on Protein Metabolism   

Insulin increase protein storage of the body as follow  

•  Insulin  stimulates  transport  of  the  amino  acids  into  the  cells.    Insulin 

increases the translation of messenger RNA.  

•  Insulin also increases the rate of transcription of selected DNA.   
•  Insulin inhibits the catabolism of proteins,   

   

  

Figure: metabolic effect of the liver. 

 

4. Insulin Effects on Potassium  

Insulin promotes K

+

 movement into cells, probably by increases the activity of Na/K-

ATPase  in  most  body  tissues.  This  K

+

-lowering  action  of  insulin  is  used  to  treat 

acute, life-threatening hyperkalemia by the  simultaneous administration of insulin 
and glucose.    

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

49 

 

 

 

Mechanisms of Insulin Secretion:  

1.  Transport of glucose into the β cell by GLUT 2   

2.  Once  inside  the  cell,  glucose  is  phosphorylated  to  glucose-6-phosphate  by 

glucokinase, and glucose-6-phosphate is subsequently oxidized. ATP, one of the 
products of this oxidation step.  

3.  ATP closes ATP-sensitive K

+

 channels and depolarizes β-cell membrane.   

4.  Depolarization of the β-cell membrane opens voltage-sensitive Ca

2+

 channels.    

Ca

2+

 flows into the β cell down its electrochemical gradient and the intracellular Ca

2+

 

concentration increases which causes insulin secretion by exocytosis.  

Link to pharmacology  

Sulfonylureas (e.g., glipizide and glyburide) are pharmacologic agents that bind to 

and  inhibit the  ATP-sensitive  K

+

 channels. Sulfonylureas, therefore,  stimulate  the 

release of preformed insulin stored in vesicles, which results in reducing the blood 
glucose  concentration.  (Note:  sulfonylureas  do  not  cause  an  increase  in  insulin 
synthesis.)   

  

Figure: Mechanisms of Insulin Secretion.

 

 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

50 

 

 

 

Control of Insulin Secretion  

Blood  glucose  concentration  is  the  primary  regulator  of  insulin  secretion.  An 

increase in blood glucose concentration stimulates insulin secretion. The actions of 
insulin reduce  the  blood glucose  concentration back to normal,  thereby  inhibiting 
further insulin secretion. Other factors and conditions that increase insulin secretion 
are:  increase  amino  acid,  fatty  acid  concentration,  glucagon,  cortisol,  Sulfonurea 
drugs  and  obesity,  while  low  glucose  concentration,  fasting,  Somatostatin  and  α 
adrenergic agonist decrease insulin secretion.  

Parasympathetic  nervous  system  stimulates  the  secretion  of  insulin,  sympathetic 

nervous stimulation inhibits insulin secretion.  

Insulin secretion increases markedly in two stages:   

1. 

Plasma insulin concentration increases almost 10-fold within 3 to 5 minutes 

after the acute elevation of the blood glucose; this results from immediate dumping 
of preformed insulin from the beta cells of the islets of Langerhans.   

2. 

At about 15 minutes, insulin secretion rises a second time and reaches a new 

plateau in 2 to 3 hours, this time usually at a rate of secretion even greater than that 
in the initial phase. This secretion results both from additional release of preformed 
insulin and from activation of the enzyme system that synthesizes and releases new 
insulin from the cells.   

  

Figure: Biphasic insulin response to a constant glucose stimulus. 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

51 

 

 

 

Glucagon   

A  peptide  hormone,  produced  by  α-cells  of  the  islets  of  Langerhans.  The  overall 

effects of glucagon includes:  

• Increase in hepatic glucose production  

• Glycogenolysis     

• Gluconeogenesis  

• Stimulation of lipolysis in the liver and in adipose tissue  

The  effects of glucagon  on glucose metabolism are  generally opposite to those  of 

insulin.  Acting  primarily  on  the  liver,  glucagon  stimulates  glycogenolysis 
(breakdown of glycogen, the storage form of glucose) and gluconeogenesis, which 
increase  blood  glucose  levels.  This  hormone  also  stimulates  lipolysis,  which 
increases the circulating concentration of free fatty acids. These molecules may then 
be  used  as  an  alternative  energy  source  by  muscle  or  serve  as  gluconeogenic 
substrates  in  the  liver.  Finally,  glucagon  stimulates  the  hepatic  uptake  of  amino 
acids, which also serve as substrates for gluconeogenesis.  

Factors that stimulate glucagon secretion include: a  decrease in blood glucose; an 

increase in blood amino acids; sympathetic nervous stimulation; stress; and exercise. 
Factors  that  inhibit  glucagon  secretion  include  insulin  and  an  increase  in  blood 
glucose.  Other  factors  which  effect  glucagon  secretion  are  Fasting,  CCK  and  β 
adrenergic agonist, while insulin and somatostatin decrease glucagon secretion.  

Factors that stimulate glucagon secretion include: a  decrease in blood glucose; an 

increase in blood amino acids; sympathetic nervous stimulation; stress; and exercise. 
Factors  that  inhibit  glucagon  secretion  include  insulin  and  an  increase  in  blood 
glucose.  Other  factors  which  effect  glucagon  secretion  are  Fasting,  CCK  and  β 
adrenergic agonist, while insulin and somatostatin decrease glucagon secretion.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

52 

 

 

 

  

Diabetes mellitus  

Diabetes  mellitus  is  a  group  of  disorders  involved  in  the  regulation  of  insulin 

production  or  secretion  or  in  the  cellular  actions  of  insulin;  the  result  is 
hyperglycemia.  Diabetes  mellitus,  characterized  by  hyperglycemia,  polyuria, 
increased thirst and fluid intake.  

The  Expert  Committee  on  the  Diagnosis  and  Classification  of  Diabetes  Mellitus, 

divides diabetes into four clinical classes:   

1. Type 1 diabetes mellitus, which is characterized by destruction of the pancreatic 

beta cells and an absolute insulin deficiency and accounts for 5% to 10% of those 
with diabetes.  

2. Type  2  diabetes  mellitus,  previously  described  as  non–  insulin-dependent 

diabetes. It currently accounts for about 90% to 95% of the cases of diabetes. Most 
people with type 2 diabetes are older and overweight. Recently, however, type 2 
diabetes  has  become  a  more  common  occurrence  in  obese  children  and 
adolescents. The metabolic abnormalities involved in type 2 diabetes include (1) 
insulin resistance, (2) increased glucose production by the liver, and (3) deranged 
secretion of insulin by the pancreatic beta cells.    

3. Gestational diabetes mellitus (diabetes that develops during pregnancy).  

4. Other  specific  types  of  diabetes,  many  of  which  occurs  secondary  to  other 

conditions (e.g., Cushing syndrome, acromegaly, and pancreatitis).  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

53 

 

 

 

   

      

  

  

     

   

   

  

 

We reproduce by sexual reproduction, a process in which sex cells (gametes) unite 

to form offspring. The gametes are formed in the gonads. The gametes unite inside 
the  female  in  a  process  called  fertilization. The  female  then  nurtures  the  growing 
embryo until birth.  

Male Reproductive system  

The organs of the male reproductive system are the following.  

•  The testes.  
•  A system of ducts: epididymis, vas deferens, ejaculatory ducts, urethra.  
•  Accessory glands: seminal vesicles, prostate, and bulbourethral glands.  
•  Supporting structures: the scrotum and the penis.  

L8   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

54 

 

 

 

  

Figure. Structures of the male reproductive system, 

 

The testes  

The  testes  are  paired  ovoid  organs  that  lie  within  the  scrotum,  which  hangs  in 

scrotum outside the abdominal cavity. The scrotum keeps the sperm at an optimal 
temperature  for  their  development,  slightly  less  than  the  core  body  temperature. 
Higher temperature may harm the sperm and cause infertility.  

The testes divided into 200 to 300 lobules. Each lobule contains one to four tightly 

coiled seminiferous tubules. The testes have two primary functions, spermatogenesis 
(process  of  producing  mature  sperm),  and  steroidogenesis  (synthesis  of 
testosterone). Both processes are regulated by the pituitary gonadotropins LH and 
FSH.  Testosterone  is  the  primary  sex  hormone  in the  male  and  is responsible  for 
primary and secondary sex characteristics. The primary sex characteristics include 
those structures responsible for promoting the development and delivery of sperm. 
The secondary sex characteristics are those structures and behavioral features that 
make men externally different from women and include the typical male hair pattern, 
deep voice, and large muscle and bone masses.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

55 

 

 

 

  

Figure 3. The parts of the testes and epididymis. 

 

Epididymus   

Each epididymus is a tightly coiled tube lying adjacent to the testis and leading from 

the testis to the vas deferens.  It is the site of sperm maturation.  

The vas deference  

The  vas  deferens  is  a  muscular  tube  45  centimeters  in  length  leading  from  the 

epididymis up into the ejaculatory duct where it combine with seminal vesicle it is 
the area where sperms stored.   

Seminal Vesicle   

The seminal vesicle is a saclike structure attached to the vas deferens near the base 

of the urinary bladder, it produce about 60% of semen (a mixture of sex gland fluids 
and about 300 million sperm) which contains:  

•  Fructose, to nourish sperm.   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

56 

 

 

 

•  Prostaglandins  to  cause  muscular  contractions  in  the  female  tract  to  help 

propel sperm  

•  High pH to help neutralize the acid environment of the urethra and vagina.  

Prostate gland  

The prostate gland surrounds the first portion of the urethra and drain directly into 

the  urethra  through small ducts. It produces about 30% of semen  which is a  thin, 
milky secretion, with slightly acidic pH, rich in acid phosphatase.  

Bulb urethral gland: secretes a clear lubricating fluid that aids in sexual intercourse.  

Penis: A copulatory organ that is responsible for delivering the sperm to the female 

reproductive  tract.  Contains  2 erectile  tissues  called  corpus  cavernosa and  corpus 
spongiosum.  

During sexual excitement, parasympathetic nerves cause vasodilatation in the penis, 

allowing erectile tissues to swell and erect the penis.  

During  ejaculation,  sympathetic  nerves  cause  vas  deferens,  urethra  and  erectile 

tissues to contract, forcefully expelling semen outward.  

Seminiferous Tubules  

About 1,000 seminiferous tubules in each testis conduct spermatogenesis.  Between 

the tubules are specialized glandular cells called interstitial cells (or Leydig's cells) 
which produce testosterone.  

Inside  the  tubules  are  specialized  cells  called  Sertoli's  cells  which  support  and 

nourish the sperm. Spermatogenesis   

Spermatogenesis  is  the  process  of  transformation  of  male  germ  cells  into 

spermatozoa, it occurs in the seminiferous tubules of the testes. The process begins 
shortly before puberty and continues throughout a life. The seminiferous tubules are 
composed  of  two  types  of  cells:  Sertoli  cells  and  Spermatogenic  cells.    
Approximately  64-74  days  are  needed  to  produce  mature  spermatozoa  from 
spermatogonia.  Mature spermatozoa have a head region containing the nucleus, the 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

57 

 

 

 

head  is  surrounded  by  a  large  secretory  vesicle  (acrosome);  there  is  a  middle 
connecting section, which is rich in mitochondria, and a tail region, which provides 
a swimming action.  

  

Endocrine control of spermatogenesis   

1. LH and FSH are secreted from the anterior pituitary under the control of GnRH 

from the hypothalamus.  

2. LH stimulates Leydig cells to produce testosterone.   

3. FSH  stimulates  the  Sertoli  cells,  resulting  in  the  secretion  of  androgen-binding 

protein  into  the  lumen  of  the  seminiferous  tubule.  The  function  of 
androgenbinding protein is to increase the local concentration of testosterone at 
the site of spermatogenesis. FSH also stimulates the secretion of inhibin from the 
Sertoli  cells,  which  exerts  negative  feedback  on  FSH  secretion  by  the  anterior 
pituitary.  

Testosterone exerts negative feedback on the secretion of both FSH and LH.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

58 

 

 

 

  

Figure.  stages of development of spermatozoa. 

 

Testosterone   

Testosterone  is  secreted  by  Leydig  cells,  some  testosterone  enters  the  systemic 

circulation  and  others  diffuse  locally  into  the  seminiferous  tubules.  In  the 
bloodstream,  most  testosterone  are  bound  to  plasma  proteins,  and  only 
approximately 3% of circulating testosterone is unbound and therefore able to enter 
the cell and exert its metabolic effects. In target tissue much of the testosterone is 
converted to more potent dihydrotestosterone by α-reductase.   

The main functions of testosterone are:  

1. Induces differentiation of the male genital tract during fetal development  

2. Induces development of primary and secondary sex characteristics  

•  Gonadal function  

•  External genitalia and accessory organs  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

59 

 

 

 

•  Male voice timbre  

•  Male skin characteristics  

•  Male hair distribution  

3. Anabolic effects  

•  Promotes protein metabolism  

•  Promotes musculoskeletal growth  

•  Influences subcutaneous fat distribution  

4. Promotes spermatogenesis and maturation of sperm  

5. Stimulates erythropoiesis  

  

Figure. Hypothalamic-pituitary feedback control of spermatogenesis and testosterone levels in the male. 

 

Gonadal dysfunction in the male  

The consequences of deficient testosterone production depend upon the age of onset:  

1. Testosterone deficiency in the second to third month of gestation results in that 

patients  have  a  short,  blind-ended  vagina  without  a  cervix,  uterus,  or  ovary. 
Failure of masculinization during puberty is due to the lack of androgen receptors.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

60 

 

 

 

2. Testosterone  deficiency  in  the  third  trimester  leads  to  problems  in  testicular 

descent (cryptorchidism) along with micro penis.  

3. Pubertal testosterone deficiency leads to poor secondary sexual development.  

4. Postpubertal  testosterone  deficiency  leads  to  decreased  libido,  erectile 

dysfunction, decrease in facial and body hair growth, low energy, and infertility.  

Exogenous testosterone given to men would normally inhibit endogenous LH release 

through a negative-feedback effect on the hypothalamic-pituitary axis, and lead to a 
suppression of testosterone production by the Leydig cells and a further decrease in 
testicular testosterone concentrations. Ultimately, because LH levels decrease when 
exogenous  testosterone  is  administered,  testicular  size  decreases.  High  levels  of 
androgens  have  an  anabolic  effect  on  muscle  tissue,  leading  to  increased  muscle 
mass,  strength,  and  performance,  a  desired  result  for  body  builders  and  athletes. 
Androgen abuse has been associated with abnormally aggressive behavior and the 
potential for increased incidence of liver and brain tumors.  

Leydig cells also contain receptors for prolactin that synergize with LH to stimulate 

testosterone  production  by  increasing  the  number  of  LH  receptors,  but 
Hyperprolactinemia  in  men  with  pituitary  tumors,  is  associated  with  decreased 
testosterone  levels.  This  condition  is  due  to a  direct  effect  of  elevated  circulating 
levels of PRL on Leydig cells, reducing the number of LH receptors. In addition, 
hyperprolactinemia may decrease LH secretion by reducing the pulsatile nature of 
its release.  

   

The female reproductive system   

The  female  reproductive  system  functions  to  produce  gametes  and  reproductive 

hormones, just like the male reproductive system; however, it also has the additional 
task of supporting the developing fetus and delivering it to the outside world. The 
female reproductive system consists of the external and internal genital structures:   

•  The  external  structures,  or  genitalia,  are  situated in the  anterior  part  of  the 

perineum which is collectively referred to as the vulva.   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

61 

 

 

 

•  The  internal  structures  (vagina,  uterus,  fallopian  tubes,  and  ovaries)  are 

located in the pelvic cavity.  

Vagina   

Vagina  is  an  elastic  channel inferior to  the cervix that  serves  as  the  "birth  canal" 

during parturition.  

The uterus   

The uterus is a thick-walled muscular organ, the inferior constricted part, called the 

cervix.  After  fertilization,  embryo  adheres  to  the  endometrial  layer  for  further 
development an event called implantation.    

Fallopian (Uterine) Tubes   

Fallopian tubes are slender cylindrical structures attached bilaterally to the uterus. 

The most distal part of a fallopian tube is the fimbria, which receive the ovum when 
it is released from the ovary at ovulation. The usual site of fertilization of the oocyte 
is a dilated area called the ampulla. The fallopian tubes transport the zygote to the 
site of implantation in the uterus.   

   

  

Figure: The female reproductive system. 

 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

62 

 

 

 

Ovary   

The paired ovaries are located on either side of the uterus below the ends of the two 

fallopian  tubes.  The  ovaries  perform  two  interrelated  functions:  Steroidogenesis 
(production of the female sex  hormones such as  estrogens and  progesterone), and 
Oogenesis  (production  of  ova).  Both  of  these  functions  are  regulated  by  follicle-
stimulating hormone (FSH) and luteinizing hormone (LH) from the anterior pituitary 
gland.  

The female reproductive cycle  

Towards the end of puberty, girls begin to release eggs as part of a monthly period 

called the female reproductive cycle. The normal menstrual cycle is 28 days long.   
In fact, only 15% of women have a perfect 28-day cycle. Any cycle of between 21 
and 35 days long can be regarded as normal. The reproductive cycle can be divided 
into an ovarian cycle and a uterine cycle.  

Uterine cycle (Menstrual cycle)  

The  menstrual  cycle  (approximately  28  days)  can  be  divided  into  the  following 

phases or events:   

  

1. Menses Phase  

The menses phase of the menstrual cycle is the phase during which the lining of the 

uterus is shed. Although it averages approximately five days, the menses phase can 
last from 2 to 7 days, or longer. The menses phase occurs during the early days of 
the follicular phase of the ovarian cycle, when progesterone, FSH, and LH levels are 
low.    

2. Proliferative Phase  

Once  menstrual  flow  ceases,  granulosa  and  theca  cells  of  the  follicles  begin  to 

produce  increased  amounts  of  estrogen.  These  rising  estrogen  concentrations 
stimulate the endometrial lining to rebuild.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

63 

 

 

 

3. Secretory Phase  

Following ovulation, corpus luteum start to produce progesterone.    

  

  

Ovarian cycle   

There are two phases of the ovarian cycle the follicular phase and the luteal phase 

with ovulation in between:  

1. Follicular  phase (first 2 weeks) is also called  the  proliferative  or preovulatory 

phase. In the follicular phase about 10-20 follicles are taken  but only  one follicle 
destined  to  grow  and  rupture  while  the  others  undergo  atresia  and  die,  leaving  a 
single oocyte for release at ovulation.    

This  phase  is  dominated  by  the  peripheral  effects  of  estrogen,  which  include  the 

replacement of the  endometrial cells lost during menses it also cause  the  cervical 
mucus to be thin and watery, making the cervix easy for sperm to traverse.    


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

64 

 

 

 

  

Figure. follicular phase relationships approximately days 1 to 1 4 

 

2. Ovulation  

Ovulation takes place approximately on day 14. Near the end of the follicular phase, 

there is a dramatic rise in circulating estrogen, this will stimulate the release of LH 
and  FSH.  The  LH  surge  induce  ovulation  and  formation  of  the  corpus  luteum. 
Follicular rupture occurs 24-36 hours after the onset of the LH surge.    

  

3. Luteal phase (approximately 2 weeks) is dominated by the elevated plasma levels 

of progesterone, and along with lower levels of secreted estrogen, creates a secretory 
quiescent endometrium which prepares the uterus for implantation.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

65 

 

 

 

  

Major events in menstrual cycle   

1. The Ant. pituitary gland secretes FSH and LH.  

2. FSH stimulates maturation of a  follicle.  Granulose cells of the  follicle  produce 

and  secrete  estrogen.  Estrogen  maintains  2ndry  sex  traits  &  causes  the  uterine 
lining to thicken.  

3. The  Ant.  pituitary  gland  releases  a  surge  of  LH,  which  stimulates  ovulation. 

Follicular and thecal cells become corpus luteum cells which secrete estrogen and 
progesterone.  

   a.Estrogen continues to stimulate uterine wall development.  

   b.Progesterone  stimulates  the  uterine  lining  to  become  more  glandular  and 

vascular.  

   c.Estrogen and progesterone inhibit secretion of FSH and LH from the Ant.  
pituitary gland.  

4. If the egg is not fertilized, the corpus luteum degenerates and no longer secretes 

estrogen and progesterone (24th day of the cycle).  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

66 

 

 

 

5. As  the  conc.  of  luteal  hormones  decline,  blood  vessels  in  the  uterine  lining 

constrict.  

6. The uterine lining disintegrates and sloughs off, producing a menstrual flow (28th 

day of the cycle).  

7. The Ant. pituitary gland, no longer inhibited, again secretes FSH and LH.  

8. The menstrual cycle repeats.  

Functions of Estrogens  

The main functions of estrogens are:  

1-  Stimulate  development  of  reproductive  organs  like  vagina,  uterus,  and 

fallopian tubes in utero and of secondary sex characteristics during puberty.  

2-  Promotes growth of ovarian follicles and Ovulation.   
3-  Alter  the  cervical  secretions  to  favor  survival  and  transport  of  sperm  and 

promote  motility  of  sperm  within  the  fallopian  tubes  by  decreasing  mucus 
viscosity.   

4-  Helps in process of implantation by promoting development of endometrial 

lining in the event of pregnancy.  

5-  Stimulate stromal development and ductal growth of breast.  

6-  Accelerate growth of long bones and closure of epiphyses at puberty it also 

decrease rate of bone resorption and increase production of thyroid and other 
binding globulins.   

7-  Increase high-density and slightly decrease low-density lipoproteins.  

Inhibin   

Inhibin, was originally described as a testicular product that inhibited pituitary FSH 

production hence its name. However, inhibin is also produced by a variety of other 
cell types, including granulosa  cells within the  ovary; production is stimulated  by 
FSH.  Within  the  ovary,  inhibin  enhances  LH-induced  androgen  synthesis  and 
attenuates FSH production.   

   


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

67 

 

 

 

The hypothalamo-pituitary-ovarian axis:  

The  output  of  LH  and  FSH  from  the  pituitary  gland  is  stimulated  by  pulses  of 

gonadotrophin-releasing  hormone  (GnRH)  produced  by  the  hypothalamus  and 
transported  to  the  pituitary in  the  portal circulation.  The  response  of  the  pituitary  
modulated by ovarian hormones, particularly estrogen and progesterone. Low levels 
of estrogen have an inhibitor effect on LH (negative feedback), whereas high levels 
of estrogen actually stimulate pituitary LH production (positive feedback).In the late 
follicular  phase,  serum  levels  of  estrogen  are  sufficiently  high  that  a  positive-
feedback  effect  is  triggered,  thus  generating  the  peri-ovulatory  LH  surge.  The 
mechanism of action of the positive-feedback effect of estrogen involves an increase 
in GnRH receptor concentrations and an increase in GnRH production. Low levels 
of progesterone  prior to ovulation have a  positive-feedback effect on pitutary LH 
and FSH secretion and contribute to the LH surge. High levels of progesterone (luteal 
phase)  inhibit  pituitary  gonadotrophin  production.  Negativefeedback  effects  of 
progesterone are generated both via decreased GnRH production and via decreased 
sensitivity  to  GnRH  at  the  pituitary  level.  Positivefeedback  effects  of 
progeteroneoperate  at the  pituitary  level  only  and  involve  increased  sensitivity  to 
GnRH.  

 

 

Figure: hypothalamus  pituitary ovarian axis. 

 

  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

68 

 

 

 

Menopause  

Menopause is a normal stage of life occurs as the ovaries stop producing estrogen, 

cessation of menstruation is a universal feature of menopause. Important symptoms 
of menopause, include insomnia, hot flushes, variable degrees of vaginal atrophy, 
and  decreased  breast size.  Estrogen  deficiency  causes bone  loss and  increases the 
risk  of  osteoporosis.  The  loss  of  ovarian  function  removes  negative  feedback  on 
GnRH, producing high serum concentrations of FSH and LH.   

Endocrine control of lactation  

Prolactin and oxytocin are the two key hormones involved in the control of lactation; 

prolactin is required for milk production, and oxytocin stimulates milk ejection from 
the  breast.  During  pregnancy,  the  high  levels  of  plasma  estrogen  greatly  increase 
prolactin  secretion,  but  milk  synthesis  does  not  occur  because  the  high  level  of 
estrogen (and progesterone) blocks milk synthesis. At parturition, plasma estrogen 
drops, withdrawing the block on milk synthesis. As a result, the number of prolactin 
receptors in mammary tissue increases several-fold, and milk synthesis begins.  

-Note: Detecting HCG in a woman’s urine or blood is used to confirm pregnancy.  

The endocrinology of pregnancy  

There are several hormones (e.g., peptides, amines, and steroids) that are essential to 

the maintenance of pregnancy.  

1. Human chorionic gonadotropin (hCG)  

At  the  time  of implantation,  trophoblastic  cells  of  the  fetus  begin  to  secrete  hCG 

which  stimulate  progesterone  and  estrogen  secretion  by  the  corpus  luteum,  thus 
rescuing the  corpus luteum, which  was otherwise  destined  to regress. Loss of the 
corpus luteum during this period would terminate the pregnancy.  


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

69 

 

 

 

2. Human chorionic somatomammotropin (hCS) also called human 

placental lactogen   

hCS is structurally similar to GH and prolactin. Its metabolic effects are similar to 

those of GH, with suppression of maternal glucose use and reduced maternal insulin 
responsiveness, which may preserve glucose for fetal use.  

3. progesterone and estrogens   

At  about  8–9  weeks  of  gestation,  the  placenta  will  assume  the  production  of 

progesterone.  Thereafter, the  plasma  hCG concentrations decrease  to lower levels 
but  continue  to  be  important  for  maintaining  progesterone  secretion  by  the 
syncytiotrophoblast.  High  steroid  levels  are  necessary  to  support  pregnancy. 
Maternally  derived  LDL  cholesterol  is  necessary  for  placental  steroidogenesis 
because the placenta lacks enzymes needed to produce cholesterol from acetate. The 
placenta can produce progesterone when provided with a supply of cholesterol. The 
placenta lacks enzymes needed to produce estrogens but has very high aromatase 
activity  to  convert  androgens  to  estrogens.  The  fetal  adrenal  glands  supply  the 
placenta  with  weak  androgens  for  conversion  to  estrogens.  These  glands  produce 
dehydroepiandrosterone sulphate (DHEA-S).  

(note:The  fetus  does  not  produce  progesterone  or  estrogens,  thereby  avoiding 

exposure to high concentrations of these steroids. Although the fetus produces large 
amounts of weak adrenal androgens, masculinization of the  female fetus does not 
occur because the placenta acts as a large sink for fetal androgens).  

4.  Relaxin  secreted  by  the  corpus  luteum  and  the  placenta  softens  the  pubic 

symphysis, relaxes sacroiliac ligaments, and dilates the cervix in preparation 
for labor.  

Infertility   

Infertility is the failure of a couple to achieve pregnancy after one year of regular, 

unprotected intercourse. The American Medical Association estimates that 15% of 
all couples are infertile. The cause of infertility can be attributed to the male (40%), 
the female (40%), or both (20%).The most common causes of infertility in females 


background image

Medical physiology                                                                                                                           Endocrinology                                 

 

Dr: ABDULHASAN ALNIYAZI  

  

 

 

Ph.D. Medical Physiology                                                                                                                       

 

_____________________________________________________________________________________ 

 

  

 

 

70 

 

 

 

are  blocked  oviducts  and  endometriosis.  The  most  frequent  cause  of  infertility in 
males is low sperm count and/or a large proportion of abnormal sperm.  

Assisted  reproductive  technologies  (ART)    consist  of 

techniques used to increase the chances of pregnancy:  

1. 

In  Vitro  Fertilization  (IVF).  During  IVF,  fertilization  occurs  in  laboratory 

glassware. After about two to four days, the embryos are ready to be transferred to 
the uterus of the woman.  

2. 

Intrauterine insemination (IUI)   represents  one   of  the  assisted  reproductive  

technologies  that involves  insertion  of  sperms  inside  a lady’s  uterus  to  enhance 
fertilization. The  aim  of  IUI procedures is to help deliver male sperms closer to 
the female  egg  to  increase the  amount  of  sperms  that  reach  the  fallopian tubes 
and  then  increase  the  fertilization chance  

3. 

Intracytoplasmic  Sperm  Injection  (ICSI).  In  this  highly  sophisticated 

procedure, one single sperm is injected into an egg. It is used effectively when a man 
has severe infertility problems  

   




رفعت المحاضرة من قبل: Haider Abdullah
المشاهدات: لقد قام عضوان و 132 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