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Graham R.Scott

April 2 , 2014 Biology 2A03: Integrative Physiology of Animals Renal System Vital Functions Performed by Kidneys 1. Regulation of plasma volume (thus MAP) 2. Regulation of plasma osmolarity 3. Regulation of plasma ionic composition (e.g. Na , Cl, HCO , K , C3 , Mg ,  2+ 2+ SO 42­ 4. Regulation of acid­base status (pH of the body fluids) 5. Excretion of all metabolic wastes and foreign substances – urea, uric acid,  ammonia 6. Regulation of red blood cell levels via EPO 7. Production of the renal hormones 8. Production of glucose via glucogenesis from amino acids during fasting Anatomy of the Urinary System ­ 2 kidneys ­ 2 ureters: • Conduct urine to the bladder • Wave­like contractions of smooth muscle ­ Bladder • Walls contains smooth muscle fibres connected by gap junctions ­ Urethra ­ Adrenal gland: endocrine role but not involved in urinary system The Urinary Bladder ­ Get rid of excess salts and water by producing fluid and storing in the urinary  bladder composed of smooth muscle ­ Ureters ­ Detrusor (smooth) muscle • Under PSNS control ­ Internal urethral sphincter • Under SNS control ­ External urethral sphincter • Composed of skeletal muscle under somatic NS control • Can be voluntarily controlled ­ Control of the bladder involves the co­operation of the parasympathetic,  sympathetic, and somatic nervous systems ­ When the bladder is filling (~1L when filled) 1. The PSNS is inactive to relax the detrusor muscle for filling 2. SNS and somatic NS are active to contract urethral sphincters The Micturition Reflex ­ Micturition is under both voluntary and involuntary control ­ Induced by stretch receptors in the bladder wall that send signals to spinal cord ­ Afferent feedback (reflex) to the spinal cord that dictates when the bladder  stretches reflex arc to induce release of urine ­ Enervate SNS and reduce the activity to cause relaxation of internal urethral  sphinter ­ Parasympathetic innervates causing contraction of detrusor muscle ­ Decrease in somatic causes relaxation of external uterhtral sphincter ­ Purely reflexive path between bladder and spinal cord in infants ­ Can be voluntary overridden in older children and adults, because stretch receptor  afferents are also routed through the cerebral cortex ­ Activation of stretch receptors travels to the brain to override inhabition of  somatic neuron activity allowing us to consciously control Macroscopic Anatomy of the Kidney ­ Process the plasma to regulate the amount of plasma , the salts in the plasma and  the amount of ions ­ The renal pyramids receive blood supply from renal artery ­ Blood drains from renal vein ­ Functional units of the kidney are located in the renal pyramids ­ Most important functional unit is the nephron found in the renal pyramid • Extend towards the center • Long winding tube with a loop • Fluid and urine produced along the length of the nephron • Receive blood, create urine and release into the calyx The Nephron ­ The nephron – an individual kidney tubule – is the basic functional unit in the  kidney and has a rich blood supply ­ Don’t need to know numbers ­ Each renal pyramid contains 100,000­2,000 nephrons ­ 8­15 pyramids per kidney each with separate branches of renal artery and renal  vein ­ 1.0­1.5 million nephrons per kidney x 2 = 2­3 million total ­ By the time urine leaves the nephron, it is fully formed ­ We can understand urine formation by understanding the function of a single  nephron Nephron Components ­ Blood supply enters efferent glomerous ­ Blood starts in Bowman’s capsule and travel through the proximal convoluted  tube and straight tubule ­ Descending loop of Henle ­ Distal part of the tubule empties into the collecting duct that releases urine at the  calyx ­ The renal tubule is essentially a single winding tube along which the urine flows  and gets progressively modified Nephron Blood Supply ­ Blood flows in and travels through pyramids ­ Initially enter glomerulus ­ Afferent arteriole ­ Two capillary beds in series (portal system) ­ The blood  ­ Afferent to first capillary bed In glomerulus ­ Leaves in efferent arteriole and enters second capillary in peritubular capillaries or  vasa recta ­ The blood supply is composed of two Nephron Function – 3 Main Transport Processes 1. Glomerular filtration: driven by hydrostatic and osmotic pressure gradients  (Starling forces) across the walls of the glomerular capillaries • Fluid from the blood initially enters glomerulas • Filtrations drives movement into the bowman capsule • Similar to bulk flow of fluid across capillaries • Produces primary urine 2. Tubular reabsorption (a) Passive diffusion of water, some ions and nutrients: water flow often follows  the flow of ions through osmosis (b) Active transport of some other ions and nutrients: much of it is active through  ATPase or other ion pumps (c) Starling forces 3. Tubular secretion: mainly active transport, entering somewhere else along the  tubules not at the glomerulus Glomerular Filtration ­ Fenetrations in the endothelium of capillaries in the glomerulus facilitate the bulk  flow of fluid into the Bowman’s capsule ­ Roughly 20% of the plasma flowing through the glomerular capillaries is filtered,  forming the primary urine ­ Spaces between capillaries are larger: larger number of fenestrations • Large amount of bulk flow • Not large enough for proteins ­ Everything in the plasma except proteins is filtered, so any substance that is not  subsequently reabsorbed (e.g., waste or foreign substance) is excreted ­ 180L are filtered per day (equivalent to the entire plasma volume every 25 min)  but only 1.5/day of urine because >99% of filtrate is reabsorbed in the tubule ­ Glomerular filtration pressure = (P  +GC ) – BD  + π BC GC ­ Filtration fraction = Glomular filtration rate (GFR)/Plasma flow rate = 20% ­ This calculation is a specific case fo the calculation of the net filtration pressure  driving bulk flow across capillaries, which we learned earlier in the course Regulation of GFR ­ Changes in mean arterial pressure could affect GFR if they altered capillary  hydrostatic pressure (the main driver of filtration) ­ This would not be ideal because it would impair the kidney’s ability to precisely  regulate the volume and composition of the plasma ­ Buffered from changes in mean arterial pressure ­ GFR can be regulated across a relatively broad range of arterial pressures by  altering the vascular resistance in the afferent or efferent arterioles (myogenic  regulation), which keeps glomerular capillary pressure relatively constant ­ Across a normal range: insensitive to changes in the driving force causes filtration  as afferent and efferent arterioles are regulated to keep glomerular pressure  relatively constant ­ There can be vasoconstriction of afferent or efferent regulating resistance and  pressure in the capillaries ­ Decrease GFR • Constrict afferent arteriole: decrease pressure in glomerular capillary • Rise in arteriole pressure to constrict and compensate pressure in  glomerular • Dilate efferent arteriole (EA) ­ Increased GFR: reduction in Map that reduces filtration pressure in glomerulus • Constrict efferent arteriole • Dilate afferent arteriole (AA): reduce resistance  ­ Negative feedback loop ­ Stretch responsive process ­ Consider haemorrhage again: large decreases in MAP due to blood loss will  reduce GFR and minimize fluid loss in the urine Tubular Reabsorption ­ The proximal convoluted tubule (PCT) performs most reabsorption and secretion 1. 65% of Na , Cl, and H O reab2orption 2. 95­99% of reabsorption for all else 3. >90% of secretion for most substances ­ The distal convoluted tubule, collecting ducts, etc. are also important ­ Much of the absorption and secretion happen right away ­ Reabsorption can be actively driven by pumps (e.g., Na /K  ATPase), or passively  by diffusion 9often facilitated diffusion via transport proteins) ­ Across peritubular space into capillary ­ Epethilium beside the luman is the apical membrane ­ Basemembet membrane = baso lateral ­ And tehse two sites are important for ion transport ­ Ions need to cross apical membrane then basolateral membrane ­ Sodium­potassium ATPase on basolateral membrane ­ Ions are often actively transported and water follows by osmosis ­ Richly vascularized ­ Apical membrane faces lumen ­ Water movement is regulated through permeability of the membrane April 4 , 2014 Tubular Reabsorption Example – Glucose ­ Under normal conditions it is entirely reabsorbed from the tubules ­ Glucose is coupled with sodium and moves into the cell ­ Active process + + + ­ The active transport of Na  across the basolateral membrane via Na /K ATPase  favours Na  diffusion into the cell across the apical membrane, which can occur  by co­transport with glucose ­ Ekeps sodium in the cytosol low ­ This concentrates glucose within the cell, and the glucose then diffuses out of the  cell across the basolateral membrane via glucose carrier proteins Tubular Secretion ­ Re+ati+ely few substances are secreted into urine from blood (mostly protons, e.g.  H , K , urea, ammonia, uric acid) + ­ Occurs mainly in proximal convoluted tubule (except K ) Some Patterns of Renal Handling ­ Substance X filtered and additionally secreted so totally cleared from the blood.  E.g., the clinical diagnostic compound para­amino hippuric acid ­ Substance Y filtered and largely but not completely reabsorbed. E.g. H O ions 2 • Regulates water and major ion balance • Most important ­ Substance Z filtered and completely reabsorbed. E.g., most nutrients such as  glucose, amino acids Excretion ­ Excretion rate = filtration rate + secretion rate – reabsorption rate ­ The tubules can normally reabsorb all of the filtered glucose at a normal plasma  concentration of glucose at ~80=100 mg/dl ­ If plasma [glucose] is elevated, [glucose] in the filtrate can exceed the capacity for 
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