Search for notes by fellow students, in your own course and all over the country.

Browse our notes for titles which look like what you need, you can preview any of the notes via a sample of the contents. After you're happy these are the notes you're after simply pop them into your shopping cart.

My Basket

You have nothing in your shopping cart yet.

Title: Oxford University first year Biomedical Sciences kidney notes
Description: These are extremely thorough notes which cover all aspects of the kidney including clinical conditions (lectures were shared with medics). Concise and got me a first in first year.

Document Preview

Extracts from the notes are below, to see the PDF you'll receive please use the links above


Kidney  notes  
 
Introduction  to  epithelial  transport  
 
The  main  ability  that  epithelial  cells  possess  is  to  move  solutes  vectorially
...
   
-­‐   Any  region  at  which  there  is  potential  for  infection  via  pathogenic  invasion  from  the  external  
environment  is  where  epithelial  cells  will  be  found  
 
Epithelia  can  be  catergorized  according  to:    
 
1
...
  Absorptive  –  active  transport  of  Na  drives  solute  and  water  reabsorption
...
 
b
...
  Tight  junctions:    
a
...
  allow  solutes  and  water  to  pass  into  cells  easily  as  they  are  low  resistance  
and  form  imperfect  seals    
ii
...
  Specialised  for  bulk  transport  of  isosmotic  solution  and  their  high  water  
permeability  to  water  means  water  moves  to  collapse  any  gradients  if  ion  
movement  occurs
...
  Apical  entry  of  sodium  via  carriers    
v
...
 
 
b
...
  prevent  any  significant  movement  can  withstand  large  osmotic  gradients    
ii
...
   
iii
...
   
iv
...
  Apical  entry  of  sodium  via  channels  
 
Epithelia  can  sometimes  possess  both  of  these  functions  such  as  the  epithelia  in  the  proximal  tubule
...
 The  tight  junction  also  acts  as  a  barrier  to  some  extent  to  
certain  solutes  and  water
...
 

 
ULTIMATLEY  DEPENDS  ON  ACTIVE  TRANSPORT  OF  SODOIUM  AS  THIS  ESTABLISHES  THE  GRADIENTS  
FOR  PASSIVE  MOVEMENT  
 
 
•   The  cells  are  asymmetrical  and  polarised  in  their  structures  which  is  important  in  enabling  
them  to  carry  out  vectorial  transport
...
 It  is  the  most  fundemental  asymmetrical  property  of  epithelial  cells  and  is  the  
primary  reason  why  they  can  carry  out  vectorial  transport
...
   
-­‐   Ussing  using  frog  skin  epithelia  which  is  ULTRA  TIGHT
...
   
-­‐   Basolateral  membrane  has  similar  properties  to  normal  membranes:  
§   Na/K  ATPase  
§   K  leak  channels  
§   Low  sodium  permeability  
§   Ca  ATPase  
§   Hormone  receptors  
§   Na/H  receptor  to  regulate  pH  
 
-­‐   Showed  the  apical  membrane  was  different  as  it  had  a  high  sodium  permeability  and  a  
membrane  potential  similar  to  the  Nernst  potential  of  sodium
...
 
§   Na/glucose  symport    
§   Na/amino  acid  symport  
§   Na/K/2Cl  symport  (provides  a  greater  gradient  for  ADH  to  exploit  to  extract  
water)    
§   Na/H  antiport  
o   Tight  –    
§   Na  channels    
§   Regulated  tightly  by  aldosterone    
§   Inhibited  by  amiloride    
 
These  create  electrochemical  osmotic  gradients  which  indirectly  allow  for  the  secondary  passive  
movement  via  the  paracellular  route  of  water  and  solutes
...
   
There  is  no  net  gain  of  potassium  as  it  is  moved  back  into  the  cell  by  the  Na/K  ATPase  pump
...
 Eg:  glucose-­‐sodium  symport,  Na/H  antiport,  phosphate  symport
...
Ds:    
 
-­‐   due  to  K  Nernst  potential  and  Na  Nernst  potential  -­‐-­‐-­‐à  can  be  altered  by  changing  conc  of  K  
and  Na    
-­‐   Na/K  pump  is  electrogenic  and  impacts  on  the  PD  of  the  basolateral  membrane  but  very  
little  contribution  as  limited  transport  as  slow  and  saturated  quickly
...
   
 
In  tight  epithelia  P
...
D  apical  +  P
...
   
-­‐   Gradient  drives  entry  of  Cl  on  Na/K/Cl  symport  down  concentration  gradient  to  accumulate  
into  the  lumen  through  Cl  channels  which  are  faulty  in  cystic  fibrosis
...
d  therefore  Na  are  driven  passively  
mostly  through  the  paracellular  pathway  into  the  lumen  also
...
 
§   Increasingly  tight  epithelia  –  fine  tuned  regulated  reabsorption  –  
collecting  duct  

The  renal  corpsule  structure  and  function:    
§   Bowmans  capsule  
§   Knot  of  capillaries  –  glomerulus    
o   Resin  cast  technique  can  be  used  to  visualize  capillaries    
o   High  water  permeability  
o   Low  permeability  to  proteins    
o   High  hydrostatic  pressure  –  45mmHg  higher  than  normal  capillaries  and  generated  
by  differential  constriction  of  afferent  and  efferent  arterioles
...
 Extremley  important  
for  retention  of  protein  in  plasma  as  damage  results  in  presence  of  proteins  in  urine  
–  proteinuria    
o   Podocytes  –    
§   Also  negatively  charged  
§   have  foot  processes  which  wrap  around  so  projections  interdigitate    
§   arrangement  of  projections  from  podocytes  on  opposite  sides  forms  letter  
box  type  structure  called  a  slit  pore    
§   Further  interdigitations  and  proteins  sit  between  adjacent  foot  processes    
§   Negatively  charged  mesh  formed  from  nephirn  protein  molecules  which  sit  
inbetween
...
 
§   Macula  densa:  
o   End  of  proximal  tubule  containing  filtrate  which  comes  back  to  touch  the  afferent  
and  efferent  arterioles  and  monitors  fluid  being  sent  down  primary  tubule  and  
feedsback  to  the  glomerulus  –  this  is  tubulo-­‐glomeruluar  feedback  
 
Permselectivity:  
 
-­‐   Size:    
o   max  =  weight  -­‐  68kDa  and  radius  -­‐  4nm  

-­‐  

-­‐  

Shape  
o   Hb  and  albumin  similar  molecular  weight  but  due  to  letterbox  type  structure  formed  
by  foot  processes  Hb  is  more  readily  filtered
...
   
o   Evidence:  dextrans  –  anionic,  cationic  and  neutral  and  different  sizes    

 
Ultrafiltration  
 
-­‐   Starling  forces  same  as  elsewhere  in  vasculature    
 
Net  filtration  pressure:  
 

=  Pressure  out  –  pressure  in  
 
=  (PGC  +  TTBS)  –  (PBS  –  TTGC)  

 

*PGC    -­‐  pressure  capillary    

*forces  contributing  to  filtration  
o   Due  to  differential  constriction  of  efferent  and  afferent  arteriole    

TTBS  –  Oncotic  pressure  bowmans  space  (osmotic  pressure  exerted  by  proteins  as  only  difference  in  composition  is  proteins)    
o   Effectively  0  as  proteins  excluded  from  filtrate    

PBS  –  hydrostatic  pressure  bowmans  space  

o   Remains  low  due  to  proximal  capsule  being  continuous  with  the  bowmans  capsule  
an  increase  in  pressure  in  the  bowmans  capsule  is  not  seen  as  continuous  drainage  
of  the  filtrate  occurs  as  it  is  not  a  finite  space  like  intracellular  space  in  other  
vasculature
...
   

 

 

Filtration  only  occurs  if  pressure  out  exceeds  pressure  in  thus  depends  on:  
 
1
...
  Removal  of  filtrate  to  proximal  tubule
...
 
-­‐   Wistal  rat  has  unique  kidney  architecture  and  is  thus  not  representative    
 
Formation  of  filtrate  (GFR)  =  Kf  x  Net  filtration  pressure    
 
 
 
                                   =  surface  area  x  permeability  x  net  filtration  pressure    
 

 
PGC    is  the  most  important  variable  –  increase  in  P  =  increase  in  GFR:  

 
             Diameter  and  resistance  of  afferent  and  efferent  arterioles  controlled  by:  
 
o    sympathetic  NS  
o   Angiotensin  II  
o   Tuboglumerular  feedback    
 
-­‐   If  ureter  is  obstructed  then  PBS  may  increase    
-­‐   Contraction  of  mesangial  cells  can  alter  surface  area  to  alter  Kf  and  therefore  GFR  
 

Autoregulation  to  control  GFR  
 
GFR  is  a  1/5TH  of  renal  blood  flow
...
  Myogenic  bayliss  mechanism:    
a
...
   

2
...
  Macula  densa  in  jugular  glomerulus  apparatus  detects  distal  flow  rate  by  sensing  
K/Na  concentrations
...
  If  increase  in  flow  rate,  thought  adenosine  is  released  which  is  hydrolysed  from  ATP    
c
...
   

 

Measuring  GFR  by  clearance    
 

Clearence  =  volume  of  plasma  from  which  a  substance  is  completely  removed  
 
Idealistic  as  never  is  all  of  a  substance  removed  from  the  plasma  as  its  passes  through  the  
glomerulus:    
 

Therefore  clearance  is  minimum  volume  of  plasma  which  could  have  contained  filtered  substance  e
...
   If  the  marker  is  reabsorbed,  urine  
conc  of  S  will  be  lower  and  therefore  so  will  the  clearance  and  GRF
...
 
When  dehydrated  ADH  stimulates  reabsorption  of  urea  to  act  as  an  osmotic  pull  therefore  
urea  U  value  is  much  lower  and  so  is  GRF  reading
...
 

 
 

The  proximal  tubule  and  tubular  transport  
 
 
In  the  collecting  duct  we  want  fluid  present  which  is  appropriate  to  maintain  homeostasis  in  order  to  
maintain  the  correct  plasma  pH,  osmarilty  and  circularting  blood  volume  –  this  is  achieved  by  
selective  reabsorption  and  tubular  transport  
 
Why  filter  and  then  reabsorb  so  much:    
 

1
...
   
2
...
   
3
...
   
4
...
 In  effect  Na  absorption  allows  other  
solutes  to  ‘piggy  back’
...
   
 
Structure  of  proximal  tubule:    
 
-­‐   Brush  border  microvilli  on  luminal  apical  membrane  to  increase  surface  area  
-­‐   One  cell  type  with  three  subdivision  
o   S1  –  convulated  tubule  
o   S2  –  convulated  tubule    
o   S3  –  straight  part  of  tubule  which  carries  onto  the  loop  of  henle  
-­‐   Leaky  epithelium    
o   High  ion  permability  which  means  the  apical  membrane  has  a  low  potential  
difference  acting  as  a  shunt  and  is  opposite  to  tight  epithelia  of  collecting  duct      
o   High  water  permability  –  high  number  of  aquaporins    
-­‐   Reabsorbs    

-­‐  

o   All  filtered  organic  solutes  
o   2/3rds  of  NaCl  and  water  isotonically  –  it  appears  to  absorb  isotonically  because  
the  water  permeability  is  so  high  such  that  very  small  undetectable  gradients  can  
drive  a  large  amount  of  water  thus  it  appears  isotonic  as  the  gradients  and  the  
osmotic  differences  are  so  small    
Active  Na  transport  underlies  transport  with  most  of  it  being  coupled  to  the  abosorption  of  
most  solutes,  organic  and  water
...
   

 
Mechanism  by  which  reabsorption  occurs:    
 
§   Can  be  divided  into  two  phases:  
 
1
...
  Organic  solutes,  amino  acids  and  glucose  uptake  
b
...
  HCO3  transport    
 
2
...
  Cl-­‐  transport    
 
Glucose  rebsorption  mechanism:    
 
1
...
  Glucose  secondary  transport  coupled  with  sodium  gradient  from  lumen  on  sodium-­‐glucose  
transporter  in  apical  membrane  
3
...
  There  are  two  isoforms  of  the  sodium-­‐glucose  transporter  which  are  sterospecific  for  D  
glucose:    
a
...
  SGLT1  in  S3  which  transports  2Na:  1  glucose  –  acts  as  a  booster  
5
...
  Reabsorption  rate  plateaus  when  all  the  transporters  are  saturated    
7
...
  Similar  manner  to  glucose  reabsorption    
2
...
  Basic  cationic  amino  acids    
b
...
  Neutral  amino  acids    
d
...
  It  is  known  that  specific  transporters  are  required  because  inherited  defects  in  them  have  
been  identified  with  the  predisposition  to  forming  kidney  stones,  cystinuria,  being  caused  
by  a  defect  in  the  cationic  amino  acid  absorption  pathway    
 

Mechanism  of  HCO3-­‐  reabsorption  from  the  lumen  into  the  cell    
 
1
...
  H  present  in  cell  from  dissociation  of  carbonic  acid  which  has  formed  as  a  result  of  the  entry  
of  carbon  dioxide  into  the  cell    
3
...
  The  hydrogen  ions  react  with  the  HCO3  in  the  lumen  to  form  carbonic  acid    
5
...
  CO2  enters  cell  and  dissociates  into  hydrogen  and  HCO3  again  catalysed  by  carbonic  
anhydrase  
7
...
  Na-­‐HCO3  symport  on  BL  membrane  3HCO3:  1Na  –  this  moves  Na  against  its  
electrochemical  gradient  and  energy  for  this  is  obtained  from  the  HCO3  gradient  as  
the  stoicheomistry  is  3HCO3:  1Na    
b
...
  The  hydrogen  ions  are  cycled  around  the  membrane  with  no  net  loss  or  gain  of  them    
 
 
 
Chloride  reabsorption  m echanism:    
 
Occurs  in  second  part  of  the  tubule  and  is  somewhat  d elayed  as  the  CORRECT  CIRCUMSTANCES  
need  to  be  established  by  the  movement  of  other  solutes  in  order  for  it  to  take  place
...
 Paracellular  –  via  tight  junctions  and  lateral  intercellular  space  which  is  the  
passive  movement  down  an  electrochemical  gradient    
o   2
...
  Na  gradient  established  by  Na  ATPase    
2
...
  Hydrogen  ions  reacts  in  the  lumen  with  the  anion  formate  rather  than  HCO3  as  it  h as  been  
reabsorbed  to  form  formic  acid    
4
...
  Formic  acid  dissociates  to  form  formate  and  H  and  formate  acculmulates  in  the  cell  
6
...
  Cl  in  cell  is  then  transported  directly  into  the  blood  via  the  K/Cl  symport    
 
Calcium  reabsorption  mechanism    
 
1
...
  Occurs  once  electrochemical  gradients  have  been  established  in  the  S3  part  of  the  proximal  
tubule  like  with  Cl  
3
...
  ECaC  transporter  on  apical  membrane  transports  Ca  into  cell  down  its  electrochemical  
gradient  into  the  cell    
5
...
  H/Na  exchanger  requires  ATP  and  p umps  in  2H  in  for  each  Ca  out  of  the  cell    
7
...
   
 
 
Mechanism  of  phosphate  reabsorption:    
 
1
...
  Na/HPO4  2–  transporter  on  apical  membrane  so  3Na+  for  every  HPO4  2-­‐    :  variable  
stoichetromy  depending  on  phosphate  species  but  always  a  NET  +1  charge  so  if  H2PO2-­‐  is  
being  transported  into  the  cell  3Na+  ions  will  be  transported  out
...
  HPO4-­‐  transporter  on  BL  membrane    
 
Secretion  of  organic  anions  (PAH  –  para-­‐amino  hipppurate)    
 
1
...
  Na/DC2-­‐  (dicarboxylate/a  -­‐  ketoglutarate)  symporter  pumps  DC2-­‐  in  with  3Na  into  the  cell  
from  the  blood    
3
...
  The  PAH  is  then  transported  out  of  the  cell  into  the  lumen  via  the  anion/PAH  exchanger  on  
the  apical  membrane    
PAH  can  be  used  to  measure  renal  blood  flow  using  the  clearance  method  
 
 
Tubular  composition:    
 
•   The  transepithelia  potential  difference  changes  sign  along  the  length  of  the  proximal  tubule  
due  to  the  various  reabsorptive  processes
...
 
•   In  S2  the  lumen  is:  
o   positive  as  it  Cl  is  being  absorbed  from  it  into  the  cell    
o   this  positively  drives  the  passive  reabsorption  of  Na  via  the  paracellular  route  as  it  
moves  from  a  positive  lumen  to  a  negative  cell  down  an  electrical  gradient  which  is  
harvested  to  move  sodium  passively  -­‐  accounts  for  up  to  30%  of  Na  absorption    
o   Na  reabsorption  hardly  changes  along  the  length  of  the  proximal  tubule  as  almost  
all  solute  uptake  is  dependent  on  its  movement
...
  Standing  gradient  hypothesis:    
a
...
  This  was  proposed  before  it  was  known  how  leaky  the  epithelia  are  -­‐  Tight  junctions  
that  define  the  lateral  intercellular  spaces  are  leaky  and  therefore  there  would  be  
BACK  FLUX  
2
...
  The  predominant  anion  in  the  tubule,  Cl,  is  less  osmotically  effective  than  the  one  in  
the  cell,  HCO3,  because  the  tight  junctions  are  more  permeable  to  Cl  therefore  Cl  
will  have  a  less  effective  contribution  than  HCO3    
 
 
Urinating  concentration  mechanisms:    
 
-­‐   Different  components  of  the  nephron  interact  in  order  to  maintain  homeostasis    
-­‐   Primary  tubule  is  how  we  recover  subsutances  we  didn’t  want  to  lose  to  make  the  primary  
urine    
-­‐   After  this  we  want  the  fine  tuning  using  the  tigher  epithelial  components  of  the  nephron  to  
reflect  the  simplest  Ussing  model    
-­‐   These  tighter  epithelia  focus  more  so  on  osmoregulation  and  fine  tweaking  which  is  
changing  the  concentration  and  volume  of  urine  in  accordance  to  water  balance    
 
Water  balance:    
 
-­‐   Water  intake  is  approx  2500ml/day  with  1000ml/day  being  lost  in  sweat,  feces  and  the  
airways  and  the  remainder  lost  in  the  urine
...
 
§   Salt  and  water  intake  has  to  be  uncoupled  as  their  intake  can  vary  independently  of  each  
other  –  this  is  achieved  by  having  differential  specialisation  in  the  kidneys  -­‐-­‐à  Tight  
epithelia  uncouple  this  because  their  water  permeability  is  so  low  
§   Loop  of  henle  is  responsible  for  regulating  the  concentration  of  the  urine  and  a  longer  loop  
of  Henle  allows  to  urine  to  be  more  concentrated    
 
Diuresis  =  water  loss    
o   20L/day  
o   50mOsm/L  
 
antidieursis  =  conservation  of  water  
 
 
PLASMA  OSMARILITY  =  300mOsm/l    
o   0
...
 
 
ADH  structure:    
§   9  amino  acid  peptide  
§   synthesised  in  neuroendocrine  cells  in  the  supraoptic  and  paraventricular  nuclei  of  the  
hypothalamus  and  is  transported  down  axons  to  the  posterior  pituitary  where  it  is  stored  in  
the  nerve  terminal    
§   causes  the  insertion  of  AQUAPORIN  II  which  increases  the  permeability  of  the  principle  cells  
of  the  collecting  duct  to  water
...
   
 
Water  permeability:    
 
-­‐   Water  does  not  simply  diffuse  but  goes  via  aquaporins  with  three  isoforms  which  are  subtly  
different  structures  with  slightly  different  functions:  
o   AQP1    
§   –  proximal  tubule    
§   Thin  descending  limb  of  loop  of  Henele    
o   AQP2  
§   Apical  membrane  of  principle  collecting  duct  cells  only  when  subjected  to  
ADH    
o   APQ3  and  APQ4  
§   Only  in  basolateral  membrane  of  principle  cells  of  collecting  ducts    
 

-­‐  
-­‐  
-­‐  

Osmotic  water  permeability  in  each  part  of  the  nephron  is  reflective  of  the  number  of  
aquaporins  
Once  in  the  acending  limb  of  the  L  of  H  there  is  very  little  water  permeability  
Differential  permeabilities  allows  countercurrent  multiplier  to  be  achieved    

 
 
Mechanism  of  ADH  action  
 
1
...
  This  produces  cAMP  due  to  activation  of  adenyl  cyclase  via  G  protein  
3
...
 
4
...
  As  ADH  release  is  stopped  cAMP  levels  fall  due  to  the  action  of  phosphodiesterases  
converted  it  to  5’AMP  and  endocytosis  of  AQP2  occurs    
 
Diabete  insipidus:  very  dilute  urine  produced    
 
-­‐   Failure  of  ADH  release  
-­‐   Failure  of  APQ  trafficking  
-­‐   Mutations  in  APQ    
 
 
Countercurrent  multiplication:    
 
•   Is  how  the  osmotic  gradient  that  ADH  exploits  is  generated  
•   Experimental  evidence:  Kuhn  and  Gottschalk  
o   Validation  for  countercurrent  hypothesis    
§   Urine  is  isotonic  relative  to  plasma  in  the  proximal  tubule  regardless  of  final  
urine  osmarility  
§   Urine  is  more  concentrated  at  the  tip  of  the  loop  of  henele  than  in  the  
proximal  tubule    
§   Blood  in  the  vasa  recta  and  fluid  in  descending  limb  are  isosmotic  to  urine  
in  adjacent  collecting  ducts  at  the  same  level  of  the  papilla    
o   Countercurrent  multiplier  was  worked  out  using  micropuncture  technique  and  
sampled  the  fluid  in  the  renal  tubule
...
   
o   Measured  osmotic  pressure  in  3  places:  found  there  is  an  equilibrium    
§   Loop  of  Henele  
§   Collecting  ducts  
§   Medulla  blood  vessels  (vasa  recta)    
 
Loop  of  henele:    
 
Descending  limb:  uncouple  salt  and  water  transport  

•   Permeable  to  water    
•   Impermeable  to  sodium  

 
Thin  ascending  limb:  cells  lack  mitochondria  and  depth  so  insufficient  ATP  to  pump  Na    
 
1
...
  Permeable  to  sodium  
 
Thick  ascending  limb  also:    
3
...
  Permeable  to  water  +  ADH  
2
...
  Actively  pumps  out  sodium    
4
...
  These  are  not  linear  events  
2
...
  The  active  transport  of  Na  is  the  key  stone  event  across  the  cells  of  the  thick  
ascending  limb  
b
...
  NKCC2  (Na-­‐K-­‐2Cl)  cotransporter  in  the  apical  membrane  of  ascending  limb  is  
stimulated  by  ADH
...
   
d
...
  Positive  lumen  electrical  difference  drives  the  paracellular  reabsorption  of  Na    
f
...
  Cl/HCO3  exchanger  on  BL  membrane  –  Cl  pumped  b ack  in  to  cell  in  exchange  for  
HCO3  out    
h
...
  This  single  effect  is  inhibited  by  loop  diurectics  such  as  furosemide  by  inhibiting  NKCC2  
so  sodium  reabsorption  is  impaired  
 
3
...
  This  is  the  single  effect  and  this  is  m ultiplied  to  create  the  end  to  end  gradient  
5
...
  Na  also  passively  falls  out  of  the  thin  ascending  limb  where  the  bend  occurs  due  to  the  
movement  of  water  out  of  the  descending  limb  which  increases  the  interstitial  water  
potential  again
...
  Makes  the  interstitial  tissue  very  h ypertonic  ]  
8
...
  2/3rds  of  volume  is  removed  isotonically    
 

§   It  is  essentially  a  snowball  effect  as  thousands  of  loops  of  henle  aligned  parallel  to  each  
other  create  a  tremendous  gradient  
§   Acending  and  descending  limbs  are  always  trying  to  equilibriate  resulting  in  a  stepwise  
increase  in  osmotic  potential    
§   The  max  transport  of  Na  that  can  be  achieved  is  at  the  bottom  of  the  descending  limb  of  the  
loop  where  the  osmarility  is  1200    
§   Thin  ascending  limb  is  always  slightly  less  approx  1000  than  descending  because  sodium  is  
passively  lost  from  it  so  urine  is  a  little  more  diluted  here
...
 This  helps  to  
trap  urea  in  the  renal  medulla    
-­‐   This  is  followed  by  the  movement  of  water  
allowing  more  water  to  b e  reabsorbed    
-­‐   Urea  efflux  is  mediated  by  UT  (passive  urea  
transporter)  which  is  upregulated  by  ADH  
-­‐   Urea  reabsorption  acts  as  an  osmotic  pull  
especially  when  ATP  is  limited  and  Na  movement  
can  only  occur  passively  due  to  limited  O2  and  
Glucose    
 
 
Early  distal  tubule  role    
-­‐  

-­‐  

-­‐  

The  early  distal  tubule  further  dilutes  the  100  mOsm/L  tubular  fluid  because  this  segment,  
like  the  ascending  loop  of  Henle,  actively  transports  sodium  chloride  out  of  the  tubule  but  is  
relatively  impermeable  to  water
...
   
The  fact  that  these  large  amounts  of  water  are  reabsorbed  into  the  cortex,  rather  than  into  
the  renal  medulla,  helps  to  preserve  the  high  medullary  interstitial  fluid  osmolarity
...
   The  medullary  blood  flow  is  low,  
a
...
   
b
...
   
c
...
  The  vasa  recta  serve  as  countercurrent  exchangers,    
a
...
   
b
...
 
c
...
   
d
...
 
 
-­‐  
-­‐  

-­‐  

This  helps  to  preserve  the  hyperosmorality  of  the  renal  medulla  and  without  it  the  solute  
pumped  into  the  renal  medulla  would  quickly  dissipate    
If  it  was  simply  straight  down  blood  vessel,  then  the  blood  would  leave  with  the  solutes  and  
water  would  also  be  pulled  out  however  having  a  change  in  direction  prevents  this  washing  
out  of  solutes    
 

 
 
Loop  of  Henele:    
 
Descending:  -­‐  absorbs  water  using  water  channels  
 
Ascending:  
-­‐   Absorbs  using  carriers  
o   Na    
o   Cl  
o   HCO3  
-­‐   Via  paracelluar  route  
o   Na    
o   K  
o   Ca  
o   Mg    
 
Early  distal  tube:    
-­‐   Absorbs  Na,  Cl  using  carriers  
 
Late  distal  tube  and  collecting  duct:    
-­‐   Absorbs:  
o   Na  
o   Water  through  channels  
o   Ureas  using  carriers  
-­‐   Secretes    
o   H  ions  using  carriers  
o   K  using  channels    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
ACID-­‐BASE  REGULATION    
 
-­‐   The  kidneys  work  with  the  lungs  to  maintain  pH  primarily  in  the:  
o   Proximal  tubule  
o   Tight  collecting  duct    
 
HCO3  is  the  fundemental  buffer  and  the  control  of  the  excretion  and  reabsorption  of  the  
HCO3  is  what  makes  the  kidneys  role  in  acid  base  regulation  so  important
...
  Must  reabsorb  the  filtered  HCO3    
 
2
...
   
 
Both  of  these  processes  required  the  secretion  of  H+
...
   
 
Non-­‐volatile  acids  produced:    
-­‐   Amino  acids  containing  sulphur  –  H2S04  sulphuric  acid  
-­‐   Cationic  amino  acids  eg  lysine  –  HCl  –  hydrochloric  acid  
-­‐   Phosphate  –  H2PO4  –  Phosphoric  acid  
 
HCO3  PRODUCED  FROM  :  
1
...
  ORGANIC  IONS  –  citrate    
 
ACID  PRODUCTION  DOMINATES  =  70mEq/day    
 
You  need  both  the  lungs  and  kidneys  for  pH  regulation  as:    
1
...
  pH  is  determined  by  both  HCO3  and  CO2  conc  which  is  under  control  of  both  lung  and  
kidneys  

 
Henderson-­‐Hasselbach  equation:    
pH  =  6
...
03  x  PCO2)    
 
The  titration  of  HCO3  with  non  volatile  acids  forms  strong  sodium  salts  which  depletes  the  
70mEq  HCO3  from  the  extracellular  fluid
...
   
 
Mechanism  of  acid  excretion  by  the  kidney:    
 
Basic  model:    
 
From  H2CO3  being  acted  upon  by  carbonic  anhydrase  to  form  H  +  HCO3  
 
-­‐   APICAL  –  H+  secretion  
-­‐   -­‐  BASOLATERAL  –  HCO3    
 
-­‐   This  is  vital  to  maintain  homeostasis    
-­‐   Kidneys  :  
o   excrete  the  same  amount  of  H+  into  the  lumen  equivalent  to  the  amount  of  
non-­‐volatile  acid  produced  that  deplete  the  HCO3  in  the  ECF  –  70mEq/day  
non-­‐volatile  acid  needs  to  be  excreted  
o   Regenerate  the  HCO3  and  prevent  it  from  being  excreted  out  –  
4320mEq/day  filtered  that  needs  to  be  recovered  
 
BOTH  OF  THESE  PROCESSESS,  EXCRETION  OF  H+  AND  HCO3  REGENERATION  REQUIRE  THE  
SECRETION  OF  H+  THEREFORE  70  +  4320  =  4390mEq/day  H+  secreted    
 
1
...
  proximal  tubule    
a
...
  Minimal  acid  elimination  
c
...
  There  is  not  net  movement  of  H+  as  it  is  being  cycled  around  to  pick  up  HCO3  
2
...
  H+  is  secreted  via  the  Na/H  exchanger  into  the  lumen  and  combines  with  the  HCO3  
in  the  lumen  to  form  H20  and  CO2  catalysed  by  the  membrane  isoform  of  carbonic  
anhydrase  
4
...
  H+  is  recycled  again  for  secretion  by  Na/exchanger  or  H+-­‐ATPase  

 

6
...
  Loop  of  Henele  
a
...
  Tight  epithelia  of  collecting  duct  and  distal  tubule  
a
...
  Significant  acid  elimination    
1
...
  CO2  and  water  enter  cell  from  blood  and  combine  to  form  H2C03  and  then  H+  and  
HCO3  via  CA    
3
...
  H+  is  secreted  via  H+  ATPase  into  lumen  –  less  dependent  on  Na  gradient    
a
...
 SEE  GRAPH  
 
5
...
  H+  instead    acidifies  tubular  fluid  or  combines  with  a  buffer:    
a
...
  amount  available  =  amount  filtered  –  amount  reabsorbed    
ii
...
   NH3    -­‐    
i
...
  glutamine  -­‐à  glutamic  acid  catalysed  by  glutaminase    
OR  
2
...
  PAH  exchanged  for  a-­‐KG  
   
4
...
  H+  is  secreted  from  the  cell  via  the  Na/H  exchange    
c
...
  NH3  is  lipid  soluble  so  crosses  the  membrane  into  the  lumen  
and  is  converted  to  charged  NH4+    with  the  H+  secreted    
2
...
   
3
...
  NH4+  MADE  IN  TUBULE  CELLS  FROM  NH3  AND  H+  AND  
EXCRETED  VIA  Na/H  exchanger  
b
...
 These  two  then  diffuse  back  into  the  
collecting  duct  where  they  form  NH4+  and  it  is  finally  
trapped
...
  This  means  that  there  can  be  a  net  gain  and  regeneration  of  HCO3  and  net  loss  of  
H+    
8
...
   
 
THE  DISTINCTION  BETWEEN  THE  REGENERATION  AND  REABSORBTION  OF  HCO3  IS  
DETERMINED  BY  WHAT  HAPPENS  TO  THE  H+  ION:  
 
REABSORB  =  COMBINE  WITH  HCO3  
REGENERATION  =  COMBIEN  WITH  BUFFER    
 
Secretion  of  HCO3  by  Type  B  intercalated  cells:  
 
-­‐   Ussing  model  shows  simply  by  reversing  the  2  proteins  on  the  apical  and  BL  
membranes  can  the  whole  function  of  the  cell  change  
1
...
  H+  ATPase  on  basolateral  membrane    
-­‐   They  are  few  in  number  but  increase  in  number  when  we  are  in  an  alkolitic  state  
such  as  vomiting  so:  
o   Down  regulation  of  H+  secretion  
o   Secretion  of  HCO3    
-­‐   Type  A  intercalated  cells  can  be  converted  to  type  B  by  either    
o   Internal  transfer  of  proteins  
o   Turnover  of  cells  results  in  more  committing  to  be  type  B  rather  than  type  A    
 
K+  balance:    
 
§   Reciprocal  control  between  H+  and  K+    
§   Hyperkalemia  =  acidosis    
 

o   High  K+  conc  interferes  with  the  enzyme  glutamate  dehydrogenase  
preventing  NH3  synthesis  so  less  is  available  to  buffer  H+  leading  to  acidosis  
...
   

 
Summary:    
 
1
...
  HCO3  required  in  body  to  buffer  non-­‐volatile  acids  produced  
a
...
  Regenerated  in  collecting  duct  type  A  intercalated  cells  
3
...
   
 
 Specifically  most  important  kidney  regulation  is  of  water  and  sodium  which  are  the  main  
determinants  of  extracellular  osmorality  –  this  is  important  as  it  determines  cell  VOLUME  changes  
 
Extracellular  fluid  VOLUME  and  OSMORALITY  are  the  two  parameters  regulated  to  control  salt  and  
water  balance    
 
 
Levels  of  kidney  regulation:  
 
1
...
  Physical    
3
...
 It  also  allows  the  kidney  to  maintain  a  relatively  constant  blood  flow  and  glomerular  
filtration  rate  (GFR)  necessary  for  the  clearance  of  metabolic  wastes  while  maintaining  efficient  
recovery  of  filtered  elec-­‐  trolytes  and  nutrients  by  the  renal  tubules
...
AUTOREGULATION    
Flow  dependence  of  Na  absorption  –  glomerulotubular  balance  and  tubuologlomerular  feedback:    
 

When  there  are  changes  in  the  GFR  and  therefore  Na  load  presented  to  the  nephron  the  
proximal  tubule  reabsorbs  a  constant  fraction  of  the  load  ~  2/3rds  which  corresponds  to  a  
smaller  absolute  amount  
 
 
1
...
  Importanat  in  protecting  glomerular  capillaries  against  rapid  changes  in  pressure  
b
...
  Via  stretch  activated  calcium  channels  mechanism    
 
 
2
...
  Peritubular  capillary  m echanism  
i
...
  These  starling  forces  which  favour  reabsorption  are:      
1
...
  Low  Hydrostatic  pressure  gradients      
iii
...
  Tubuloglomerular  feedback    
 
a
...
  Juxtaglomerular  apparatus  (JGA)  detects  the  changes  in  sodium  chloride  reaching  the  
macula  densa  cells  in  the  distal  tubule
...
  Adjusts  the  diameter  of  the  afferent  arteriole  accordingly    
 
Tubuloglomerular  feedback  mechanism    
1
...
 pressure  natrieursis  mechanism  inhibits  sodium  reabsorption  into  the  proximal  tubule  
3
...
 This  increases  uptake  of  Na  by  Na-­‐K-­‐2Cl  cotransporter  in  apical  membrane  of  the  macula  densa    
5
...
 This  is  associated  with  the  release  of  ATP  from  the  basolateral  membrane  of  the  macula  densa  from  
the  maxi  anionic  channel  (this  is  still  controversial)  
7
...
 Mechanism  by  
which  ATP  does  this  is  still  debated:  
 
B)  CONTROL  OF  NA  EXCRETION  VIA  EFFECTIVE  CIRCULATING  VOLUME    
 
-­‐   This  refers  to  theportion  of  the  extracellular  fluid  that  is  contained  within  the  vascular  
system  and  is  essentially  perfusing  the  tissues  
-­‐   Depends  on:  
o   Na  concentration  (determines  ECF  volume)  
o   Pressure  
o   Cardiac  output  
o   Blood  pressure    
-­‐   For  example  congestive  heart  failure  often  leads  to  an  increase  in  ECF  volume  (edema)  
because:    
o   Sodium  and  water  retention  (paradoxical)    
o   Poor  cardiac  performance  decreases  cardiac  output    
o   This  causes  a  decrease  in  effective  circulating  volume  

o   The  kidney  retains  more  sodium  to  conteract  the  decrease  in  effective  circulating  
volume  
 
Angiotensin  II  control:    
 
-­‐   Most  powerful  Na  retaining  hormone  which  causes  an  increase  in  MEAN  ARTERIAL  
PRESSURE  (MAP)    
 
1)   Stimulates  aldosterone  secretion  from  adrenal  cortex  –  2%  of  Na  filtered  is  under  this  
regulation    
a
...
  ENaC  
ii
...
  Na  ATPase    
b
...
  this  is  detected  by  osmoreceptors  stimulating  ADH  secretion  from  the  posterior  
pituitary  which  increases  water  reabsorption  and  therefore  increases  plasma  
volume  causing  an  increase  in  mean  arterial  pressure    
i
...
  Increaed  expression  of  AQP2  and  ENaC  
d
...
  This  reduces  the  peritubular  hydrostatic  pressure  so  that  the  net  tubular  
reabsorption  of  Na  from  proximal  tubule  is  increased  via  glomerulartubulo  balance  
mechanism    
b
...
   
 
1
...
  ANP  causes  the  vasodilation  of  afferent  and  efferent  glomerular  arterioles  
3
...
  This  decreases  renin  secretion  
5
...
  Antagonism  of  ADH  in  the  collecting  duct  
7
...
NATRIURETIC  HUMORAL  FACTORS:    
 

-­‐  
-­‐  
-­‐  

-­‐  

Inhibit  Na  reabsorption:    
1
...
 Inhibition  of  Na  and  K  channels  through  phosphorylation:  
o   Prostaglandins    
o   Bradykinin    
3
...
  Decrease  in  vascular  resistance  
2
...
  increase  in  medullary  blood  flow  (vasa  recta)    
4
...
  increase  in  sodium  excretion    
 
Na  transport  in  proximal  vs  distal  tubule  
 
Proximal:  
-­‐   Na  enters  on  a  symporter  with  an  organic  ion  
-­‐   Cl  only  enters  the  blood  paracellular  
-­‐   Na/H  exchanger  through  which  Na  enters    
 
Distal:    
-­‐   Na  enters  with  Cl  in  Na/Cl  symport  
-­‐   Cl  enters  blood  via  paracellular  and  transcelllular  route    
-­‐   K  channel  on  apical  membrane  and  moves  out  into  lumen  
-­‐   Na  on  apical  membrane  allowing  Na  to  passively  move  in    
 
DRUGS  AND  INHIBITORS:  
 
1
...
  Furosemide  
b
...
  Inhibit  NCC    
a
...
  Inhibit  ENaC  and  Na/H  exchanger    
a
...
  If  reduced  blood  volume  
a
...
  More  water  is  retained  to  dissolve  the  Na  
2
...
  Drinking  water  

 

Change  in  Na  excretion    

-­‐ Angiotensim  II/  
Aldosterone  –  promote  
reabsorption  of  Na  
-­‐ ANP  (atrial  natieurtic  
peptide  –  inhibit  
reabsorption  of  Na  

a
...
 
c
...
 

Rapid  increase  in  urine  flow    
Increase  in  volume    
Decrease  in  osmorality    
ADH  is  inhibited  and  water  is  not  extracted  from  the  collecting  ducts  and  reabsorbed    
 
2
...
  Volume  expansion  without  a  change  in  osmolarity  
b
...
  Have  to  wait  for  an  increase  in  volume  to  supress  the  excretion  of  Na  which  will  
eventually  lead  to  a  change  in  osmolarity  and  a  change  urine  flow  
d
...
  Organum  vasculosoum  laminae  terminalis  (OVLT)  (thirst  receptors)    
2
...
  OVLT  and  SFO  detect:  
a
...
  decreased  effective  circulating  (Renin  à  angiotensin  II  à  aldosterone  etc)    
2
...
  Thirst  results  in  an  increase  in  water  intake  
4
...
  Increased  Na  intake  stimulated  by  OVLT  to  counteract  decreased  effective  circulating  
volume    
 
 

 
ADH  
 
Triggers  for  release:    
1
...
  Reduced  effective  ciruculating  volume  –  Detected  by  atrial  stretch  which  secretes  ANP    
3
...
  ADH  binds  to  V2  receptor  on  principle  cells  membrane    
2
...
  This  activates  PKA  which  phosphorylates  the  CREB  protein  in  the  nucleus  and  this  binds  to  
the  CREB  gene    
4
...
  Animal  model,  brattlebro  rats  which  lack  ADH  due  to  having  diabetes  insipidus    
2
...
  Without  ADH  there  are  still  indentation  in  the  membrane  showing  the  animal  retains  all  the  
machinery  just  lacks  the  trigger  that  is  ADH  
4
...
   
 
Other  actions  of  ADH:  
 
1
...
  Stimulates  NKCC  in  thin  ascending  loop  of  Henele  –  so  sodium  can  drain  out  water    
3
...
  Volume  sensors    
Cardiovasular  –  change  in  sympathetic  discharge  
a
...
  Atrial  stretch  receptors    
c
...
  Pressure  receptors  in  renal  afferent  arterioles    
 
Renal:  
a
...
  Increase  in  Na/Cl  reabsorption  across  the  macula  densa  which  represents  an  increase  in  
effective  circulating  volume:  
a
...
  Change  in  membrane  potential  opens  up  ATP  channels  which  is  hydrolysed  to  
Adenosine  by  activity  of  exoenzyme    
c
...
  Angiotensin  II    
3
...
  ADH    
5
...
  Sympathetic  nerve  activity  and  catelochoamines    
2
...
  Angiotensinogen  is  released  by  the  liver  and  converted  to  angiotensin  I  by  renin  which  
shortens  the  angiotensinogen  at  Leu-­‐Val  and  ACE  which  shortens  at  Phe-­‐His    
2
...
  Angiotensin  II  travels  to  kidneys  and  stimulates:  
a
...
  Increased  insertion  of  Na  ATPase  BLM  and  apical  ENaC  (Na  channel)    
ii
...
  Thirst  –  stimulates  ADH  release  so  increased  water  reabsorption    
c
...
  Reduces  hydrostatic  pressure  in  peritubular  capillaries  
ii
...
  Increases  GFR  as  efferent  arteriole  is  more  constricted  than  the  afferent  –  
seems  contradicting  as  if  there  is  a  decrease  in  volume  surely  you  want  less  

filtered  however  a  decrease  in  volume  means  more  waste  that  needs  to  be  
excreted
...
  Macula  densa  heightened  sensitivity  to  distal  flow  rate:    
i
...
 
ii
...
  Measuring  the  GFR  from  the  renal  tubule  
2
...
  Seeing  effects  on  GFR  
4
...
  GFR  decreases  as  adenosine  release  causes  efferent  arteriole  
dilation  reducing  pressure  –  this  is  a  protective  response    
 
e
...
  Rare  example  of  regulation  on  leaky  epithelia    
ii
...
  Increase  in  cAMP  stimulates  PKA  and  insertion  Na/H  exchanger  
2
...
  Increase  catecholamine  binding  –  regulate  vasoconstriction  and  
transport  events  to  some  extent    
 
ANP  –  antagonistic  system      
 
Mechanism:  ANTAGONISES  EFFECTS  OF  ANGIOTENSIN  II  AND  ALDOSTERONE    
 
1
...
  Causes  vasodilation  
3
...
  Na  reabsorption  inhibited  so  raises  load  to  macula  densa  in  distal  tubule  and  inner  
medullary  collecting  duct  increased  
5
...
  ANG  II  and  renin  release  inhibited  
7
Title: Oxford University first year Biomedical Sciences kidney notes
Description: These are extremely thorough notes which cover all aspects of the kidney including clinical conditions (lectures were shared with medics). Concise and got me a first in first year.