Клітини щитовидної залози є типовими білково-секреторними гландулоцітамі. Ендоплазматичний ретикулум і апарат Гольджі синтезують і секретують в фолікули великі молекули глікопротеїну, названого тиреоглобуліном, з молекулярною масою близько 335000.
Кожна молекула тиреоглобуліну складається з 70 залишків амінокислоти тирозину. Це основний субстрат для взаємодії з йодом при формуванні гормонів щитовидної залози. Таким чином, гормон утворюється усередині молекули тиреоглобуліну, отже, тироксин і трийодтиронін утворюються з амінокислоти тирозину, залишаючись частиною молекули тиреоглобуліну під час синтезу гормону, при цьому тиреоглобулін використовується як сховище гормонів в фолікулі.
Окислення іона йоду. Першою істотною сходинкою в освіті гормону щитовидної залози є окислення іона йоду, перетворення йодидів в окислених форму йоду, або поява з (I), який здатний безпосередньо зв'язуватися з тирозином. Таке окислення здійснюється ферментом пероксидазою і супутньої йому перекисом водню, які дозволяють системі активно окислювати йодиди. Пероксидаза або розташована в апікальній мембрані, або пов'язана з нею, що обумовлює окислення йоду безпосередньо біля місця виходу тиреоглобуліну з апарату Гольджі через клітинну мембрану в депо колоїду. У випадках блокади системи пероксидази або вродженого її відсутності в клітці утворення гормонів падає до нуля.
Йодування тирозину і утворення гормонів щитовидної залози - органіфікаціі тиреоглобуліну. Взаємодія йоду з молекулою тиреоглобуліну називають органіфікаціі тиреоглобуліну. Окислений йод може безпосередньо, але дуже повільно, зв'язуватися з тирозином. Окислений йод в клітинах щитовидної залози пов'язаний з ферментом йодіназой, присутність якого прискорює процес від декількох секунд до декількох хвилин, тому під час вивільнення молекули тиреоглобуліну з апарату Гольджі або секреції її через апікальну мембрану в фолікул йод встигає зв'язатися з 1/6 частиною молекул тирозину в тиреоглобулине.
На малюнку показана послідовність стадій йодування тирозину і остаточне формування двох важливих гормонів щитовидної залози - тироксину і трийодтироніну. Тирозин на початку йодується в монойодтірозіна, а потім - в трийодтиронін. Якщо ж 1 молекула монойодтірозіна об'єднується з 1 молекулою дійодтірозіна, утворюється трийодтиронін, яким представлена 1/15 остаточного кількості гормонів. Протягом наступних кількох хвилин, годин і навіть днів все більше молекул йодтірозінов об'єднуються один з одним.
Більша частина продуктів реакції взаємодії перетворюється на гормон тироксин, який залишається частиною молекули тиреоглобуліну.
Зберігання тиреоглобуліну. Щитовидні залози відрізняються від інших ендокринних залоз здатністю запасати великі кількості гормонів. Після синтезу гормонів та усунення його причини кожна молекула тиреоглобуліну включає до 30 молекул тироксину і кілька молекул трийодтироніну. У такій формі гормони щитовидної заліза зберігаються в фолікулах в кількостях, достатніх для забезпечення нормальних потреб організму в метаболічних гормонах протягом 2-3 міс. Отже, якщо синтез гормонів припиняється, їх дефіцит не виявляється протягом декількох місяців.