background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Lectuctre6 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Biochemistry and Disorders of Hormones of the Pancreas 

Objectives 

1.  List the hormones synthesized and secreted from the pancreas and state 

their functions and clinical significance 

2.  Understand the mechanism of synthesis and release of insulin and 

glucagon  

3.  Understand the mechanism of  interaction of  insulin with its receptor which 

is the platform for developing medications for type 1 and type 2 DM  

4.  Understand the mechanism of  interaction of glucagon  with its receptor 

5.  define insulinoma and the laboratory results obtained in the assessment of 

the disease 

 

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

after a meal.  

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

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

 

In order of abundance, 

they are the:  

1. 

beta cells, which 

secrete insulin

amylin and preptin.  

 

2. 

alpha cells, which 

secrete glucagon;  

 

3. 

delta cells, which 

secrete 

somatostatin, and  

 

4. 

gamma cells, which 

secrete pancreatic polypeptide (PP).  

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Gluconeogenesis 

Glucogenolysis 

Lipolysis 

Ketogenesis 

Proteolysis 

Uptake of ions (especially 

K

+

 and PO

4

-3 

Protein synthesis 

Glycogen synthesis 

Glycolysis 

Glucose uptake in muscle 

and adipose tissue 

Insulin 

 

Alpha Cells 

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

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

 

glycogen into glucose ("glycogenolysis") and  

 

fat and protein into intermediate metabolites that are ultimately converted into 

glucose ("gluconeogenesis") 

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

Glucagon secretion is  

 

stimulated by low levels of glucose in the blood;  

 

inhibited by high levels of glucose in the blood, and  

 

inhibited by amylin.  

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

of blood sugar level between meals.  

Beta Cells 

Insulin is a small protein consisting of  

 

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

—S) bridges to a  

 

beta chain of 30 amino acids. 

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

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

 
 
 
 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Insulin affects many organs.  

1. 

It stimulates skeletal muscle fibers to  

 

take up glucose and convert it into glycogen;  

 

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

2. 

acts on liver cells  

 

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

 

inhibiting production of the enzymes involved in breaking glycogen back down 

("glycogenolysis") and  

 

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

3. 

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

4. 

acts on cells in the hypothalamus to reduce appetite. 

 

 

Actions of Insulin 

Metabolic process 

Reaction  

consequence 

glycogenesis 

Glucose to Glycogen 

(-) Blood glucose 

glycogenolysis 

Glycogen to Glucose 

(+) Blood glucose 

gluconeogenesis 

Amino acids to Glucose 

(+) Blood glucose 

Protein synthesis 

Amino acids to protein 

(-) Blood amino acids 

Protein degradation 

Protein to Amino acids 

(+) Blood amino acids 

Fat synthesis (lipogenesis or 

triglyceride synthesis 

Fatty acids and glycerol to 

triglycerides 

(-) Blood fatty acids 

Fat breakdown (lipolysis or 

triglycerides degradation 

Triglycerides to Fatty acids and 

glycerol 

(+) Blood fatty acids 

(-) decrease in 

(+) increase in 

Amylin 

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

pancreas.  

Some of its actions:  

 

inhibits the secretion of glucagon;  

 

slows the emptying of the stomach;  

 

sends a satiety signal to the brain. 

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

diabetes-associated islet amyloid deposits in 1987 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

 

Preptin is a peptide of 34 amino acids co-secreted with insulin and amylin. 

Some of its actions:  

  Stimulates proliferation of primary fetal osteoblast 

  Reduces osteoblsat apoptosis 

  

 

 

Nice to know: 
Pancreatic β-cell destruction in patients with T1DM prevents secretion of insulin, IAPP and 
preptin, thereby reducing their effects on the 
RUNX2 (transcriptional factor associated with 
osteoblast differentiation) gene. This reduction decreases proliferation and differentiation 
of MSCs (marrow stroma cells) into osteoblasts and their resistance to apoptosis

preventing osteogenesis and bone mass accrual. Moreover, reduced insulin secretion in 
patients with T1DM prevents stimulation of osteoblasts to produce osteocalcin, which 
stimulates β-cell proliferation and acts on the testes to produce testosterone, a hormone 
that increases osteogenesis.  
 

 

Delta Cells 

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

acids and one of 28.  

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

which food is absorbed from the contents of the intestine.  

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

Gamma Cells 

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

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

levels and gastrointestinal secretions. 

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

hypoglycemia and is decreased by somatostatin.,.  

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Synthesis and release of insulin and glucagon 

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

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

. The α cells secrete 

glucagon, and the 

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

  Synthesis and secretion of Insulin 

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

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

an additional intrachain disulfide bond. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Exocytosis  of  the  insulin  storage  vesicles  from  th

e  cytosol  of  the  β  cell  into  the  blood  is 

stimulated by rising levels of glucose in the blood bathing the β cells. 

 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

 

Quick quiz: The metal ion required during crystalizatio of inulin is: 

(a) Zinc 

(b) Calcium 

(c) Copper 

(d) Chromium 

 

Glucose enters the β cell via specific 

glucose  transporter  proteins  known 

as 

GLUT2. 

Glucose 

is 

phosphorylated  through  the  action  of 

glucokinase  to  form  glucose  6-

phosphate,  which  is  metabolized 

through  glycolysis,  the  TCA  cycle, 

and  oxidative  phosphorylation.  These 

reactions result in an increase in ATP 

levels  within  the  β  cell.  As  the  β  cell 

[ATP|/  [ADP]  ratio  increases,  the 

activity  of  a  membrane-bound,  ATP-

dependent K

+

 channel is inhibited (i.e., 

the  channel  is  closed).  The  closing  of  this  channel  leads  to  a  membrane  depolarization, 

which  activates  a  voltage-gated  Ca

2+

  channel  that  allows  Ca

+

 

to  enter  the  β  cell  such  that 

intracellular  Ca

2+

  levels  increase  significantly.  The  increase  in  intra-cellular  Ca

2+

  stimulates 

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

insulin  secretion.  Thus,  an 

increase  in  glucose  levels  within  the  β  cells  initiates  insulin 

release. 

  Stimulation and inhibition of insulin release 

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

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

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

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

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

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

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

rapidly 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

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

as: 

1.  neural signals 

2.  certain amino acids  

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

food) 

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

decrease the release of insulin 

 

  Synthesis and secretion of Glucagon 

Glucagon a polypeptide hormone, is synthesized in 

the α cells of the pancreas by cleavage 

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

preproglucagon is produced on the rough endoplasmic reticulum and is converted to 

proglucagon as it enters the ER lumen. Proteolytic cleavage at various sites produce the  

mature 29-amino acid glucagon and larger glucagon-containing fragments (named 

glucagon-like peptides  I  and 2). Glucagon is rapidly metabolized, primarily in the liver and 

kidneys. Its plasma half-life is only about 3 to 5 minutes. 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                Insulin  

 

Glucagon   Epinephrine 

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

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

suppressive effect on secretion of glucagon from the α cell as well as an indirect effect, the latter 

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

Certain hormones stimulate glucagon secretion. : 

1)  catecholamines (epinephrine) 

2)  cortisol 

3)  gut hormones 

4)  Many amino acids also stimulate glucagon release. 

Glycogenolysis 

Gluconeogenesis 

Ketogenesis 

Glycogenolysis 

Gluconeogenesis 

Ketogenesis 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Quick quiz:  
Most effective stimulation factor to the secretion of glucagons is: 

(a) High carbohydrate diet 

(b) Hyperglycemia 

(c)  Hypoglycemia 

(d) High fat diet 

 

Metabolic effects of glucagon 

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

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

an increase in gluconeogenesis. 

2. Effects on lipid metabolism: Glucagon favors hepatic oxidation

 OF 

fatty acids and the 

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

tissue is minimal in humans. 

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

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

consequence plasma levels of amino acids are decreased. 

 
Quick quiz:  
All the statements are true for glucagons EXCEPT 

(a) Its secretion is inhibited by hyperglycemia 

(b) It will stimulate only glycogenolysis in muscle 

(c)  It ill bind to membrane receptors in liver and adipose tissue 

(d) It will stimulate lipolysis with the help of hormone sensitive triacylglycerol (TAG) lipase 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

Insulin and Glucagon receptors 

1.  Insulin Receptor 

 

 

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

1. 

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

insulin may disaccociate and be degraded. 

2. 

The Tyr Kinase domain is phosphorylated. 

3. 

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

4. 

Biochemical / Physiological Responses: 

 

How insulin binds to its receptor, was not yet known until recently (Jan 013). 
They described it as resembling the "handshake" 

For more than 20 years, scientists have been trying to solve the mystery of how insulin 
binds to the insulin receptor.  

The generation of new types of insulin have been limited by our inability to see how insulin 
interacts with its receptor in the body. 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

10 

Quick quiz: the interaction of insulin with its receptor 

1.  cause a conformational change in the receptor only 
2.  cause a conformational change in the hormone only 
3.  cause a conformational change in both hormone and  receptor. 
4.  cause no conformational change  

Understanding how insulin interacts with the insulin receptor is fundamental to the 

development of novel insulins for the treatment of diabetes 

 

The importance of this finding is that: 

insulin is a key therapy for type 1 and type 2dm diabetes mellitus  and pharmaceutical 

industries are interested in making insulin that have varying properties so that: 

  people might not have to inject insulin quite often or 

   might ingest insulin in different ways or  

  might be interested in making insulin that can be stored in normal temps. 

It shows which part of insulin you could alter , which parts you have to leave the same and 

suggests ways in which you could treat the insulin molecule to generate new properties 

that could make beneficial therapeutic for patients of type1 and type 2 DM 

 

Quick quiz: How can this finding benefit diabetics 

(a) by providing more injected  insulin 

(b) by curing their damaged B cells 

(c) generating new properties to the insulin molecule that shall be used theraputicaly 

(d) will have no benefit at all 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

11 

2.  Glucagon Receptor  

 

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

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

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

(GTP-

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

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

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

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

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

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

phosphate donor

 

 

 


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

12 

Clinical cases and correlations 
 
Insulinoma 

 

A 36-year-old woman was referred to a university hospital for evaluation of spells of 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

 
Biochemical questions 

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

explain the patient's symptoms? 

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

relationship of proinsulin to insulin? What is preproinsulin? 

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

obesity? 

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

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

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

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

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

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

This inappropriate insulin release caused the low blood glucose concentration during 

prolonged fasting. 

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

-cells of the pancreatic 

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

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

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


background image

Prof.Dr.H.D.El-Yassin 2014 

13 

transported to the Golgi apparatus and stored in granules. 

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

conversion is incomplete. When insulin is discharged from the 

-cell, some proinsulin that 

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

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

insulin-like activity. 

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

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

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

This also provide glucose carbon atoms for fatty acid syntesis. 

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

each day might be recommended. 

 
Question: Binding of insulin to its receptor: 

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

 
Answer

B This occurs on tyrosine residues of the ß-

subunit. A: Binding is to the α-

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

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 165 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