Overview of Renal Function

Kidney

Bioengineering 6000 CV Physiology

Overview of Renal Function

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Anatomy/Function of the Kidney

• Structure/Function

– 1% of body mass
– 25% of cardiac output
– Passes total blood volume 

every 4-5 minutes

– Filters 180 l per day and 

reabsorbs 178.5 l of it

– Produces 1.5 l of acidic 

(pH~6) urine per day

– 5% increase in filtration 

would generate 9 l urine per 

day!

– Regulation of kidney 

ensures that this does not 

happen.

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Nephron Structure

• Closed end of tubule forms a bowl for 

the glomerulus

• Glomerulus is extension of capillaries, 

creates ultrafiltrate of blood that passes 

to to Bowman’s capsule

• Urine passes through collecting duct to 

renal pelvis

• Tubule 

– One-cell thick
– Proximal tubule
– Loop of Henle
– Distal tubule

• 1 million nephrons/kidney

Kidney

Bioengineering 6000 CV Physiology

Osmoregulatory Organs:

 Prototypical Transport Systems and the 

Mammalian Kidney

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Transport Systems: Prototype

Internal, 

Interstitial 

space (basal 

surface)

External, 
Lumen 
(apical 
surface)

ATP

ADP

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Transport Systems: Specific Example

• ATPase removes Na

+

 and absorbs K

+

• K

+

 diffuses and crosses into tubular lumen through 

special channels

• Net K transporter, driven by ATP-ase

Net K

+

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Na

+

 Transport

Passive 

cotransport

Passive 

cotransport

Active 
transport

Channels

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

H

+

 transport driven by Na

+

 transport

Passive 

Antiporter

Proton 

Production

CO

2

 + H

2

0 

HCO

3

-

H

+

CA

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Functional Overview

• Contents:

– Water + urea, NaCL, KCL, phosphates, etc.
– Color and odor product of diet, e.g., 

asparagus

• Process:

– Filter everything out (and take back what is 

worth keeping)

– Reabsorption of water and salts
– Secretion of additional unwanted 

substances

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Renal Circulation

• Afferent arteriole
• Glomerulus

– 10% of blood crosses to tubule
– 100 ml/minutes

• Efferent arteriole
• Secondary capillaries

– Loops: vasa recta

• Veins 

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Nephron Functional Overview

• Most water and minerals 

taken out of the filtrate

• Each region of tubule has 

different function

• “Renal clearance”

– Amount of plasma from 

which a substance is 

completely

 removed 

from the body [ml/min]

– Function of filtration, 

reabsorption, and 

secretion

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Example: Glucose Regulation

• Normal glucose clearance 

is zero (i.e., no net loss)

• Filtration is complete
• Reabsorption complete (to 

a limit of about 320 mg/
min)

• Clearance increases for 

excess plasma glucose

• Diabetics have low 

reabsorption and can 
accumulate glucose in 
urine

Normal glucose

concentration

Limit of 

reabsorption

320

Kidney

Bioengineering 6000 CV Physiology

Detailed Passage Through the Nephron

1. Glomerular (filtration)
2. Proximal (reabsorption)
3. Loop of Henle (concentration)
4. Distal (reabsorption/secretion)
5. Collecting Duct (reabsorption/

secretion)

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Glomerular Structure

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Glomerular Filtration

• Filtrate excludes only red blood 

cells and large proteins

• Rate depends on:

– Hydrostatic pressures
– Colloid osmotic pressure
– Hydraulic permeability

• Net pressure is +10 mm Hg
• Permeability very high

– Capillaries fenestrated
– Filtration slits in glomerulus

+10

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Regulation of Filtration

Goal: maintain constant filtration under 

variations in arterial pressure

– Myogenic autoregulation: rise in blood 

pressure causes first stretch, then 

contraction of afferent arteriole

– Osmotic autogregulation

• Macula densa: Sensor cells for osmolarity 

and flow of distal tubule; release 

substances to control afferent arterial flow

• Granular cells control smooth muscle by 

releasing renin

– Central regulation:

• Sympathetic innervation of afferent 

arteriole 

• Responds to blood loss (constriction) and 

hypertension (dilation)

• Also causes constriction of parts of 

glomerulus to further reduce filtration

• Powerful mechanism, can override 

autoregulation

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Renin-Angiotensin System

• Renin, enzyme released from the granular cells 

by

– reduced renal blood pressure
– reduced solute delivery to distal tubule
– sympathetic stimulation

• Angiotensin I, released from the  kidneys by

– rise in Renin

• Angiotensin II, result of Angiotensin I cleavage by 

– ACE

• Angiotensin II causes

– at low levels, constriction of efferent arterioles, raises 

glomerular filtration

– at higher levels constriction of both efferent and afferent 

arterioles, reduces glomerular filtration

– increase reabsorption of Na

+

 (and water) in distal tubule

– release of aldosterone (adrenal cortex) and vasopressin 

(pituitary) which increases reabsorption of Na

+

 and water in 

distal tubule

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Proximal Tube Reabsorption

• 70% of salts reabsorbed 

– Active pumping (via K/Na pump 

on basolateral)

– Water and Cl

+

 follow Na

+

passively (and perhaps co-

transport)

– Glucose and amino acids follow 

in co-transport

– Other substances concentrated 

in filtrate

• By loop of Henle

– 75% of filtrate reabsorbed

– Iso-osmotic with cells/plasma 

(300 mosm/L)

– Phosphates, Ca

2+

, and other 

electrolytes reabsorbed as 

needed

Passive 

cotransport

Passive 

cotransport

Active transport

Channels

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Proximal Tube Secretion

• Organic anions (OA

-

)

– K/Na pump creates Na+ gradient for 

exchanger

– Non-specific mechanism for many 

OA’s, both endogenous and 

exogenous

– Drugs can alter transport through 

competitive binding

– Co-administration of secreted ions 

with a drug can slow secretion 

(removal) of the drug because they 

can compete with the drug. 

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Loop of Henle

• Descending limb 

– High passive H

2

O transport

– Interstitial osmolarity climbs (see 

below)

– Thin cells
– Almost no active salt transport, low 

salt permeability

• Thin ascending segments

– Highly permeable to NaCl
– Very low permeability to H

2

O

– No active salt transport

• Thick ascending limb

– Active transport of NaCl
– Low H

2

O permeability

– Reduces osmolarity

Concentration of Urine

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Distal tubule

• Reabsorption:

– Na

+

, Cl 

-

, HCO3

-

– Active transport of NaCl
– Water follows salts (permeability controlled 

by ADH)

• Secretion:

– H

+

, NH

3

, K

+

– K

+

• Occurs when elevated in the body
• Na/K pumps into tubular cells, leaks 

into tubule through channels

• Regulation/Feedback 

– Distal tubule is close to glomerulus so 

regulation based on osmolarity in tubule

– Concentrates urine
– Salt transport under endocrine control

‒ A

ldosterone: enhanced Na

+

 reabsorption 

and K

+

 secretion

Adjustment of urine content

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Collecting Duct

• Water permeable 

– Permeability controlled by ADH through 

cAMP signaling that increases aquaporin 

formation

– Interstitial space is hypertonic (mostly from 

NaCl and urea)

• Secretion of K

+

, H

+

, NH

3

• Reabsorption of Na

+

, Cl

-

, HCO

3

-

– Na

+

 by active transport

– Regulated by aldosterone 
– Determines water movement and urine 

concentration

• Reabsorption of urea

– End of duct very permeable to urea
– Regulated by ADH by increase in urea 

transporters

Final concentrating of urine

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Concentration of Urine

• Ability to concentrate urine depends 

on

– Length of loop of Henle (kangaroo 

rat has very long one)

– Gradient of osmolarity
– Countercurrent mechanisms to 

maintain osmotic gradient (see 
below)

• Salt glands (e.g., marine birds)

– Active salt transport via Na

+

/K

+

pump and Na

+

/Cl

-

 cotransport

– 2-3 times blood osmolarity

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

-

+

-

Aldosterone and ADH

• Aldosterone:

– Releases from adrenal cortex
– Increases Na

+

 reabsorption

• Antidiuretic Hormone (ADH)

– Also called vasopressin
– Released from pituitary in 

response to angiotensin II, 

osmotic and blood pressures

– Increase water reabsorption

• Atrial Natriuretic peptide (ANP)

– Released from atrium in 

response to pressure

– Inhibits release of renin and 

ADH to increase urine 

production

+

ACE 
Inhibitors

ADH

Hypothalamus

Pituitary

Osmotic Pressures

Baroreceptors

In

cr

ea

se

d

 w

ate

r 

re

ab

so

rp

ti

o

n

Alcohol

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Countercurrent Multiplier

• Loop with active 

transporters between the 

arms loops

• Leads to cumulative 

concentration increase

• Requires:

– Active Transport 

between arms

– Constant flow into loop

• Concentration gradient 

along the entire arm is 

greater than between 

arms.

• Passive system reduces 

the gradient, e.g., 

reducing heat loss to the 

heat sink.

Active

Passive

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Countercurrents in the Kidney

1) Active transport of salt

•

Increased  osmolarity

•

Lower water permeability

2) Osmotic passive transport of water

•

Low NaCl, urea permeability

3) Passive diffusion of urea

•

Only place with high urea 

permeability

4) Osmotic diffusion of water

•

Produces high osmolarity 

filtrate and bottom of loop

5) Diffusion of salt

•

Low water permeability

•

Produces low osmolarity filtrate 

at top of loop

•

Overall effect is concentration 

of urine

D

rive

n 

by 

act

ive

tra

nsp

ort

 o

f N

aC

l

D

rive

n 

by 

pa

ssi

ve

di

ffu

si

on

 o

f u

re

a

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Counter Currents: Role of Vasa Recta

• Vasa recta parallel to 

loop

• Counter current 

mechanism plays key 
role in maintaining strong 
blood flow without 
disrupting osmolarity 
gradient

Bioengineering 6000 CV Physiology

Kidney

Urine Production Summary

• Contents:

– Water + urea, NsCL, KCL, phosphates, etc.
– Color and odor product of diet, e.g., 

asparagus

• Process:

– Filter everything out (and take back what is 

worth keeping)

– Reabsorption of water and salts
– Secretion of additional unwanted 

substances