background image

Renal control of acid-base balance  

The  kidneys  control  acid-base  balance  by  excreting  either  acidic  or  basic  urine.  Large 

numbers of HCO

3

– 

are filtered continuously into the tubules, and if they are excreted into the 

urine,  this  removes  base  from  the  blood.  Large  numbers  of  H

+

  are  also  secreted  into  the 

tubular lumen by the tubular epithelial cells, thus removing acid from the blood. If more H

+

 

is secreted than HCO

3

– 

is filtered, there will be a net loss of acid from the extracellular fluid 

& vice versa. 

The  kidneys  regulate  extracellular  fluid  H

+

  concentration  through  three  fundamental 

mechanisms which are accomplished through the same basic mechanism: (1) secretion of H

+

(2) reabsorption of filtered HCO

3

, and (3) production of new HCO

3

In 

ECF  H

+

  conc.  (alkalosis),  the  kidneys  fail  to  reabsorb  all  the  filtered  bicarbonate,  so

 

bicarbonate excretion which normally buffers hydrogen in the ECF, this loss of bicarbonate 

is the same as adding an H

+

 to ECF



 H

+

 conc. back toward normal.  

In acidosis, the kidneys do not excrete bicarbonate into the urine but reabsorb all the filtered 

bicarbonate  and  produce  new  bicarbonate,  which  is  added  back  to  ECF



  ECF  H

+

  conc. 

back toward normal. 

● For each bicarbonate reabsorbed, an H

+

  must  be  secreted,  but  different  tubular  segments 

accomplish this task differently. 

● About 80 to 90 % of the bicarbonate reabsorption (and H

+

 secretion) occurs in the proximal 

tubule,  (the  descending  and  ascending  thin  limbs  of  the  loop  of  Henle,  no  bicarbonate 

reabsorption  and  H

+

  secretion).  In  the  thick  ascending  loop  of  Henle,  another  10  %  of  the 

filtered  bicarbonate  is  reabsorbed,  and  the  remainder  of  the  reabsorption  takes  place  in  the 

distal tubule and collecting duct. 

● The renal tubule secrete H

+

 into the tubular fluid by sodium-hydrogen counter-transport & 

by the hydrogen-ATPase mechanism at the intercalated cells (3.1 & 3.2). 

The secretory process begins when CO

2

 either diffuses into the tubular cells or is formed by 

metabolism in the tubular epithelial cells. CO

2

, under the influence of the enzyme  carbonic 

anhydrase, combines with H

2

O to form H

2

CO

3

, which dissociates into HCO

3

– 

and H

+

. The H

is  secreted  from  the  tubular  cell  into  the  lumen.  The  HCO

3

– 

moves  downhill  across  the 

basolateral membrane into the renal interstitial fluid and the peritubular capillary blood. The 

net result is that for every H

+

 secreted into the tubular lumen, an HCO

3

– 

enters the blood (Fig. 

3.1). 


background image

● Filtered bicarbonate ions by the glomerulus do not  reabsorbed directly through the luminal 

membranes of the renal tubular cells; Instead, HCO

3

– 

is first combines with H

+

 (secreted by 

the  tubular  cells)  to  form  H

2

CO

3

,  which  eventually  becomes  CO

2

  and  H

2

O  (Fig.  3.1).  The 

CO

2

 can move easily across the tubular membrane & diffuses into the tubular cell, where it 

recombines with H

2

O, under the influence of carbonic anhydrase, to generate a new H

2

CO

3

 

molecule.  This  H

2

CO

3

  in  turn  dissociates  to  form  HCO

3

– 

and  H

+

;  the  HCO

3

– 

then  diffuses 

through  the  basolateral  membrane  into  the  interstitial  fluid  and  is  taken  up  into  the 

peritubular  capillary  blood.  The  transport  of  HCO

3

  across  the  basolateral  membrane  is 

facilitated by two mechanisms: (1) Na

+

-HCO

3

– 

co-transport and (2)Cl

-HCO

3

 

– 

exchange.  

 

Figure  3.1  Cellular  mechanisms  for  active  secretion  of  hydrogen  ions  into  the  renal 

tubule. 

 

Figure  3.2  Primary  active  secretion  of  hydrogen  ions  through  the  luminal  membrane

 

 

●Under normal conditions, the rate of tubular H

+

 secretion is about 4400 mEq/day, and the 

rate  of  filtration  by  HCO

3

– 

is  about  4320  mEq/day  (equal  quantities),  so  HCO

3

– 

and  H

+

 


background image

normally  “titrate”  each  other  in  the  tubules.  But  there  is  slight  excess  of  H

+

  (about  80 

mEq/day) in the tubules to be excreted in the urine. Most of this H

+

 is not excreted as free H

+

 

but rather in combination with other urinary buffers, especially phosphate and ammonia. 

In  metabolic  alkalosis,  the  excess  HCO

3

– 

excreted  into  the  urine.  In  acidosis,  complete 

reabsorption of the bicarbonate; the excess H

+

 passes into the urine.  

In the proximal tubules, the tubular fluid pH can be reduced to only about 6.7, although large 

amounts of H

+

 are secreted by this nephron segment. Although the secretion of H

+

 in the late 

distal tubule and collecting tubules accounts for only about 5 % of the total H

+

 secreted, this 

mechanism  is  important  in  forming  a  maximally  acidic  urine  about  4.5  (high  H

+

 

concentration) , which is the lower limit of pH that can be achieved in normal kidneys. 

Combination  of  excess  hydrogen  ions  with  phosphate  and  ammonia  buffers  in  the 

tubule: in acidosis when H

+

 is secreted in excess of the bicarbonate filtered into the tubular 

fluid, only a small part of the excess H

+

 can be excreted in the ionic form (H

+

) in the urine, to 

keep the minimal urine pH is about 4.5. The large amounts of excess H

+

 is excreted in urine 

by  combining  the  H

+

  with  buffers  in  the  tubular  fluid.  The  most  important  buffers  are 

phosphate  buffer  and  ammonia  buffer.  There  are  other  weak  buffer  systems,  such  as  urate 

and citrate that are much less important. And this results in the generation of new HCO

3

– 

that 

can  also  enter  the  blood  (in  addition  to  that the kidneys  reabsorb  all the  filtered  HCO

3

) to 

reload the HCO

3

lost from the extracellular fluid in acidosis.  

Phosphate  is  much  effective  as  a  buffer  in  the  tubular  fluid  than  extracellular  fluid  buffer 

because:  

1-The phosphate buffer (HPO

4

=

and H

2

PO

4

) become concentrated in the tubular fluid due to 

their relatively poor reabsorption and the reabsorption of water from the tubular fluid.  

2- The pK of this system is about 6.8 , so it normally functions near its most effective range 

of pH.  

The mechanism:  any excess H

+

 can combine with HPO

4

=

 and other tubular buffers. After 

the H

+

 combines with HPO

4

=

 to form H

2

PO

4

, it can be excreted as a sodium salt (NaH

2

PO

4

), 

carrying with it the excess hydrogen (Fig. 3.3). Under normal conditions, much of the filtered 

phosphate is reabsorbed and limited amount available for buffering H

+

. Therefore, much of 


background image

the buffering of excess H

+

 in the tubular fluid in acidosis occurs through the ammonia buffer 

system. 

 

Figure 3.3 Buffering of secreted hydrogen ions by filtered phosphate (NaHPO

4

–). 

Ammonia Buffer System: is composed of ammonia (NH

3

) and the ammonium ion (NH

4

+

). 

Ammonium ion is synthesized from glutamine, which comes mainly from the metabolism of 

amino  acids  in  the  liver.  The  mechanism:  1-  generation  two  new  HCO

3

,  the  filtered 

glutamine  by  kidneys  is  transported  into  the  epithelial  cells  of  the  proximal  tubules,  thick 

ascending limb of the loop of Henle, and distal tubules (Fig. 3.4).  

Once inside the cell, each molecule of glutamine is metabolized in a series of reactions 

to ultimately form two NH

4

+

 and two HCO

3

. The NH

4

+

 is secreted into the tubular lumen by 

a counter-transport mechanism in exchange for sodium. The HCO

3

– 

is transported across the 

basolateral membrane, along with the reabsorbed Na

+

, into the interstitial fluid and is taken 

up by the peritubular capillaries. 

2- generation one new HCO

3

– 

by execreting H

+

, In the collecting tubules, H

+

 is secreted by 

the tubular  membrane into the lumen, where it combines with NH

3

 to form NH

4

+

,  which is 

then excreted in urine. The collecting duct is permeable to NH

3

 but is much less permeable to 

NH

4

+

;  therefore  the  NH

4

+

  is  trapped  in  the  tubular  lumen  and  eliminated  in  the  urine.  For 

each NH

4

+

 excreted, a new HCO

3

 is generated and added to the blood (Fig.3.5). 

 


background image

 

Figure  3.4  Production  and  secretion  of  ammonium  ion  (NH

4

+

)  by  proximal  tubular 

cells. 

 

 

Figure  3.5  Buffering  of  hydrogen  ion  secretion  by  ammonia  (NH

3

)  in  the  collecting 

tubules. 

● An increase in ECF H

+

 conc. stimulates renal glutamine metabolism and 

the formation of 

NH

4

+

 and new HCO

3

– 

to be used in H

+

 buffering; and vice versa. 

 


background image

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Deaa Al-deen El-taee
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 119 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل