Biomedical Engineering Fundamentals

FIGURE 2.1
Representation of the forward pathways of pituitary and target gland hormone release and action:
——– tropic hormones; – – – – tissue-affecting hormones.
2.3 Hormone Action at the Cell Level: Signal Recognition,
Signal Transduction, and Effecting a Physiological Response
The ability of target glands or tissues to respond to hormonal signals depends on the ability of the cells to
recognize the signal. This function is mediated by specialized proteins or glycoproteins in or on the cell

---

JOBR: “2121_c002” — 2006/2/6 — 19:50 — page 5 — #5
Endocrine System
2-5
TABLE 2.1
Main Endocrine Glands and the Hormones They Produce and Release
Chemical
Gland
Hormone
characteristics
Hypothalamus/median
Thyrotropin-releasing hormone (TRH)
Peptides
eminence
Somatostatin
Gonadotropin-releasing hormone
Amine
Growth hormone-releasing hormone
Corticotropin-releasing hormone
Prolactin inhibitor factor
Anterior pituitary
Thyrotropin (TSH)
Glycoprotiens
Luteinizing hormone
Follicle-stimulating hormone (FSH)
Proteins
Growth hormones
Prolactin
Adrenocorticotropin (ACTH)
Posterior pituitary
Vasopressin (antidiuretic hormone, ADH)
Oxytocin
Peptides
Thyroid
Triidothyronine (T3)
Tyrosine derivatives
Thyroxine (T4)
Parathyroid
Parathyroid hormone (PTH)
Peptide
Adrenal cortex
Cortisol
Steroids
Aldosterone
Adrenal medulla
Epinephrine
Catecolamines
Norepinephrine
Pancreas
Insulin
Proteins
Glucagon
Somatostatin
Gonads
Testes
Testosterone
Steroids
Ovaries
Oestrogen
Progesssterone
TABLE 2.2
Summary of Location of Receptor, Associated Classes of Hormones, and Their
Principle Mechanism of Action
Location of receptors
Classes of hormones
Principal mechanism of action
Plasma membrane
(cell surface)
Proteins and peptides,
catecholamines and eicosanoids
Generation of second messengers
that primarily modulate the
activity of intracellular enzymes
Intracellular (cytoplasm
and/or nucleus)
Steroids and thyroid hormones
Modification of RNA-directed protein
synthesis and the transcriptional
activity of responsive genes
plasma membrane that are specific for a particular hormone, able to recognize it, bind it with high affinity,
and react when very low concentrations are present. Recognition of the hormonal signal and activation
of the cell surface receptors initiates a flow of information to the cell interior, which triggers a chain of
intracellular events in a preprogrammed fashion that produces a characteristic response. It is useful to
classify the site of such action of hormones into two groups (see Table 2.2): those which act at the cell
surface without, generally, traversing the cell membrane and those which actually enter the cell before
effecting a response. In the study of this multistep sequence, two important events can be readily studied,
namely, the binding of the hormone to its receptor, and activation of cytoplasmic effects. These events,
such as receptor activation and signal generation, are an active area of research.
One technique employed in an attempt to elucidate the intermediate steps has been to use ineffective
mutant receptors, which when assayed are either defective in their hormone-binding capabilities or in

---

JOBR: “2121_c002” — 2006/2/6 — 19:50 — page 6 — #6
2-6
Biomedical Engineering Fundamentals
effector activation and thus unable to transduce a meaningful signal to the cell. However, the difficulty with
these studies has been to distinguish receptor-activation and signal-generation defects from hormone-
binding and effector activation defects. A parallel technique is to explore the use of agonists, which are
molecules that behave like the “normal” hormone, bind the receptor and induce all the postreceptor events
that yield a physiological effect. Natural hormones are themselves agonists and, in many cases, more than
one distinct hormone can bind to the same receptor. For a given receptor, different agonists can have
dramatically different potencies. The corollary to this is to explore the use of antagonists, that is molecules
that bind the receptor and block-binding of the agonist, but fail to trigger intracellular signaling events.
Hormone antagonists have obvious pharmaceutical potential in clinical endocrinology.
The peptide and protein hormones circulate at very low concentrations relative to other proteins in
the blood plasma. These low concentrations are reflected in the very high affinity and specificity of the
receptor sites, which permit recognition of the relevant hormones amid the prolusion of protein molecules
in the circulation. Adaptation to a high concentration of a signal ligand in a time-dependent reversible
manner enables cells to respond to changes in the concentration of a ligand instead of to its absolute
concentration. The number of receptors in a cell is not constant; synthesis of receptors may be induced
or repressed by other hormones or even by their own hormones. Adaptation can occur in several ways.
Ligand binding can inactivate a cell surface receptor either by inducing its internalization and degradation
or by causing the receptor to adopt an inactive conformation. Alternatively, it may result from the changes
in one of the nonreceptor proteins involved in signal transduction following receptor activation. Down
regulation is the name given to the process whereby a cell decreases the number of receptors in response
to intense or frequent stimulation and can occur by degradation or more temporarily by phosphorylation
and sequestration. Up regulation is the process of increasing receptor expression either by other hormones
or in response to altered stimulation.