甲狀腺激素的生物學作用主要有下列三方面：
(一)促進生長髮育
甲狀腺激素促進生長髮育作用最明顯是在嬰兒時期，在出生後頭五個月內影響最大。它主要促進骨骼、腦和生殖器官的生長髮育。若沒有甲狀腺激素，垂體的GH也不能發揮作用。而且，甲狀腺激素缺乏時，垂體生成和分泌GH也減少。所以先天性或幼年時缺乏甲狀腺激素，引起呆小病。
呆小病患者的骨生長停滯而身材矮小，上、下半身的長度比例失常，上半身所佔比例超過正常人。又因神經細胞樹突、軸突、髓鞘以及膠質細胞生長障礙，腦發育不全而智力低下，他們性器官也不能發育成熟，沒有正常的生殖功能。
新生兒甲狀腺功能低下時，應在一歲之內適量補充甲狀腺激素，這對中樞神經系統的發育和腦功能的恢復還有效。遲於此時期，以後即使補充大量T3或T4，也不能恢復正常功能，則治療往往無效。
(二)對代謝的影響
1、產熱效應：甲狀腺激素可提高大多陣列織的耗氧率，增加產熱效應。這種產熱效應可能由於甲狀腺激素能增加細胞膜上Na+-K+泵的合成，並能增加其活力，後者是一個耗能過程。甲狀腺素使基礎代謝率增高，1mg的甲狀腺素可增加產熱4000KJ。甲狀腺功能亢進患者的基礎代謝率可增高35％左右;而功能低下患者的基礎代謝率可降低15％左右。
2、對三大營養物質代謝的作用：它對三大營養物質代謝的影響十分複雜。總的來說，在正常情況下甲狀腺激素主要是促進蛋白質合成，特別是使骨、骨骼肌、肝等蛋白質合成明顯增加，這對幼年時的生長、發育具有重要意義。然而甲狀腺激素分泌過多，反而使蛋白質，特別是骨骼肌的蛋白質大量分解，因而消瘦無力。
在糖代謝方面，甲狀腺激素有促進糖的吸收，肝糖元分解的作用。同時它還能促進外周組織對糖的利用。總之，它加速了糖和脂肪代謝，特別是促進許多組織的糖、脂肪及蛋白質的分解氧化過程，從而增加機體的耗氧量和產熱量。
(三)其它方面
此外，甲狀腺激素對於一些器官的活動也有重要的作用。它對維持神經系統的興奮性有重要的意義。甲狀腺激素可直接作用於心肌，促進肌質網釋放Ca2+，使心肌收縮力增強，心率加快。
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