background image

 

1

 

 

 

                           URINARY SYSTEM       Dr.Firdous 

 
    
 
  Objectives: 

1-  Describe the structure of the kidney; both cortex and medulla. 
2-  Describe  the  functional  unit  of  the  kidney;  the  nephron,  and  its  parts;  renal 

corpuscle, proximal convoluted tubule, distal convoluted tubule, loop of Henle. The 
structure of these parts should be studied both by light and electron microscope. 

3-  Explain  the  role  of  glomerulus  in  the  process  of  membrane  filtration,  and  the 

structure of juxtaglomerular apparatus. 

4-  Explain the arrangement of blood vessels in the kidney, and its blood supply. 
5-  Describe the structure of ureters, bladder, and urethra. 
 

 

      

The urinary system consists of paired kidneys, ureters, and a single  bladder and 

urethra.   
     Function: 

1.   Maintenance  of  homeostasis  by  production  of  urine  through  filtration, 

absorption, and secretion. 

2.  Regulation of fluid and electrolytes balance of the body. 
3.  Production of Renin (important in regulation of blood pressure). 
4.  Production of Erythropoietin (stimulates the production of erythrocytes). 
 

KIDNEY 

 

    The kidney is

 about 11cm, 6cm, 3cm in dimensions. Each kidney weights about 

150 gm. It has a concave medial border; the hilum, where the nerves enter, blood 
and  lymphatic  vessels  enter  and  leave,  and  the  ureter  exits, and  a  lateral  convex 
side. 
     Each kidney is surrounded by a connective tissue capsule that is  surrounded by 
a mass of peri renal adipose tissue. The capsule consists of two distinct layers; an 
outer  layer  of  fibroblasts  and  collagen  fibers,  and  an  inner  layer  of 
myofibroblasts.  The  capsule  pass  inward  at  the  hilum  covering  the  sinus,  and 
become  continuous  with  the  connective  tissue  forming  the  walls  of  calyces  and 
renal pelvis. 


background image

 

2

 

    The kidney is divided into an outer cortex and an inner medulla. Renal medulla 
consists of 10-18 conical or pyramidal structures; the medullary pyramids, whose 
bases  form  the  cortico-medullary  junction  and  vertices  protrude  into  the  minor 
calyces. The tips of pyramids are called renal papillae, where the collecting ducts 
open  into.  From  the  base  of  each  medullary  pyramids  parallel  tubules;  the 
medullary rays, penetrate the cortex.  
     Kidney lobe consists of medullary pyramid and associated cortical tissue at its 
base and sides, and they are about 8-18 in each kidney. 
    Renal pelvis is the dilated upper portion of the ureter which is divided into 2-3 
major calyces that branch into several smaller minor calyces. 
 
 
 

 

Structure of the kidney 

 

 

 

structure of kidney capsule( two layers) 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

 

3

 

NEPHRON 

 

    It  is  the  functional  unit  of  the  kidney.  There  are  about  1-4  millions  in  each 
kidney. Each nephron consists of a dilated portion; the  renal corpuscleproximal 
convoluted  tubule  (PCT),  thin  and  thick  limbs  of  Henle's  loop,  and  distal
 
convoluted tubule  (DCT).

 

Some investigators consider the collecting tubules and 

ducts to be part of the nephron. 
 
 

                                 

 

 

 
RENAL CORPUSCLE 
    It is about 200 µ in diameter, and consists of a tuft of capillaries; the glomerulus, 
and a double-walled epithelial capsule; glomerular(Bowman's capsule).  
   Renal corpuscle has a vascular pole, where afferent arteriole enter, and efferent 
arteriole leave, and a urinary pole where the PCT begins. 
      Glomerulus: 
    When afferent arteriole enter the renal corpuscle, it will divide into 2-5 primary 
branches  which  will  further  divide  into  capillaries  forming  the  glomerulus.  The 
endothelial  cells  have  thin  cytoplasm  except  around  the  nucleus.  It  is  of  the 
fenestrated type with 70-90 nm in diameter, with no diaphragm. 


background image

 

4

 

      Bowman's capsule 
    Composed  of  two  layers;  parietal  and  visceral,  with  a  space  in  between  called 
urinary space which receives the fluid filtered through capillary wall. 
     Parietal  layer  consists  of  simple  sequamus  epithelium  supported  by  a  basal 
lamina and a thin reticular fibers. At the urinary pole, this epithelium will change 
into simple cuboidal epithelium of the PCT. 
 

                           

 

 
     Visceral  layer  is  modified  during  embryonic  life  and  the  cells  are  called 
Podocytes. The cell body gives  rise to several primary processes from which arise 
numerous  secondary  processes  that  called  pedicels.  These  pedicels  embrace  the 
capillary  of  glomerulus  and  come  in  contact  with  the  basal  lamina  at  a  periodic 
distance of 25nm. The pedicels interdigitate with each other defining a space about 
25nm  wide;  the  filtration  slit  which  is  bridged  by  a  diaphragm  of  6nm  thick. 
Podocytes  have  bundles  of  actin  microfilaments  to  give  them  the  contractile 
capacity. 

 

 
 


background image

 

5

 

      A thick basement membrane (0.1µm) is formed by fusion of the basal laminae 
of both capillary and podocytes, forming a filtration barrier that separates urinary 
space  and  capillary  blood.  By  E.M,the  basement  membrane  consist  of  a  central 
electron-dense layer called lamina densa, and, on each sides, a more lucent layer 
called  lamina  rara  which  contains  fibronectin  to  bind  them  to  the  cells.  Lamina 
densa contains typeIV collagen. 
 

                            

 

 
     The filtration apparatus(barrier) consists of: 
1-  Endothelium of glomerular capillaries: they are fenestrated, with no diaphragm, 

and  posse  a  large  number  of  aquaporin-1(AQP-1)  water  channels  that  allow 
fast movement of water through epithelium. 

2-  Glomerular basement membrane. 
3-  
Podocytes. 
     In  diseases  such  as  diabetes  mellitus  and  glomerulonephritis,  the  glomerular 
filter is altered and becomes much more permeable to proteins, with the subsequent 
release of protein into the urine (proteinuria).  
 
 
     Mesangial cell: This cell is found adherent to the wall of glomerular capillaries 
where  the  basal  lamina  is  shared  by  two  or  more  capillaries.  It  has  cytoplasmic 
processes that extend to the endothelial cells. They have receptors for angiotensin 
II. When these receptors are activated, the glomerular flow is reduced. Mesangial 
cells also have receptors for the natriuretic factor produced by cardiac atria cells. 
This factor is a vasodilator that relaxes the mesangial cells, probably increasing the 
blood flow and the effective surface area available for filtration. 
   Mesangial cells also have several other functions: they give structural support  to 
the glomerulus, synthesize extracellular matrix, endocytose and dispose of normal 
and pathological (immune complex) molecules trapped in the glomerular basement 
membrane, 

and 

probably 

produce 

chemical 

mediators 

such 

as 

cytokines,prostaglandins, interleukin-1, and platelet-derived growth factor(PDGF) 


background image

 

6

 

   In  certain  diseases  of  the  kidney  it  has  been  noticed  that  mesngeal  cells 
proliferate,  in  which  abnormal  amount  of  proteins  trapped  in  the  basement 
membrane. 
   Although  mesangeal  cells  act  as  macrophages,  embryologically  they  originate 
from  smooth  muscle  cell  precursors,  rather  than  the  precursors  of  mononuclear 
phagocytic system.  
 

                            

 

 
PROXIMAL CONVOLUTED TUBULE(PCT) 
     Begins  at  the  urinary  pole  of  the  renal  corpuscle,  where  the  simple  sequamus 
epithelium change into simple cuboidal or simple columnar epithelium. 
   This tube is long and tortuous so it is more frequently seen in renal cortex than 
DCT. The cytoplasm is acidophilic due to the presence of numerous mitochondria. 
The cell apex has abundant microvilli, of 1µm in length, and they form the  brush 
border. Each cell has a spherical, centrally located nucleus. In living animal PCT 
has  wide  lumen,  but  in  histological  section  the  lumen  is  collapsed  and  the  brush 
border is disorganized. The apical cytoplasm has numerous canaliculi between the 
bases  of  microvilli.  They  are  important  in  absorbing  macromolecules.    The  basal 
portion of PCT has membrane invaginations and the mitochondria are concentrated 
at  the  bases  of  these  cells  parallel  to  the  long  axis  of  the  cell.  These  are  the 
characteristics of ion transporting cells. There is an extensive interdigitations of the 
lateral  membrane  of  adjacent  cells,  so  there  is  no  discrete  cell  margins  when 
observed  by  L.M.  Cells  of  PCT  are  large,  so  they  appear  only  3-5  nuclei  in 
transverse section. 
 


background image

 

7

 

  

 

 
 

  

 

 

E.M.  photo  of  PCT  showing  apical  microvilli,  large  no.of    mitochondria,  and  basal  membrane 
folding. 
 

HENLE'S LOOP

 

    It  is  a  U  shaped  structure  consist  of  thick  and  thin  descending  limbs,  thin  and 
thick ascending limbs. It starts as a thick limb in the outer medulla with a diameter 
of 60µm, lined by simple cuboidal epith. , then suddenly narrows to about 12µm in 
diameter as the thin descending limb. This segment has a wide lumen, and lined by 
simple seq.epith., whose nuclei protrude slightly into the lumen. This segment runs 
deep into  the medulla, then continues  upwards  as the  ascending thin  limb, which 
will suddenly change into simple cuboidal epith. of the thick ascending limb. 
    Most  of  nephrons  are  cortical,  and  they  have  very  short  thin  descending  limb 
with no thin ascending limb. Few number of nephrons are located near the cortico-
medullary  junction  and  called  juxtamedullary  nephrons.  They  have  very  long 
Henle's  loop.  Juxtamedullary  nephrons  are  important  in  producing  concentrated 
urine.  Intermediate  or  midcortical  nephrons  have  their  corpuscles  in  the  mid 
region of cortex, and their loop of Henle is of the intermediate length. 
 
 


background image

 

8

 

 

          
           Loop of Henle                                                    Loop of Henle (star)  
 

DISTAL CONVOLUTED TUBULE(dct) 
    It  is  the  continuation  of  the  thick  ascending  limb  of  Henle's  loop,  when  it 
penetrates the cortex. It is tortuous and lined by simple cuboidal epith. The cells of 
DCT are small and flat, so more nuclei are seen in histological section. The cells 
lack brush border or apical canaliculi and they appear less acidophilic than the cells 
of  PCT.  Their  lumen  is  wide.  Lateral  boundaries  between  adjacent  cells  are  not 
seen by L.M due to the interdigitations between these cells. Like cells of PCT,  the 
cells of DCT have numerous basal membrane invaginations with large number of 
mitochondria.  

 


background image

 

9

 

     When DCT come in contact with the afferent arteriole of its parent nephron, its 
cells  will  be  modified.  They  will  become  columnar  and  their  nuclei  are  closely 
packed together, with the Golgi complex at the basal region. This modified area of 
the  DCT  appears  darker  in  L.M.  and  called  macula  densa,  which  is  sensitive  to 
ionic contents and volume of tubular fluid. 
 

 

                                                                 Macula densa 

 
   

Juxtaglomerular apparatus: 

     Tunica  media  of  afferent  arteriole  of  the  renal  corpuscle  will  be  modified  and 
called juxtaglomerular cells(J.G.C.) . The nucleus is spherical, the internal elastic 
membrane will disappear, and the cytoplasm is full of secretary granules. By E.M., 
J.G.C.  show  characteristics  of  protein-secreting  cells;  abundant  RER,  highly 
developed Golgi complex, and the presence  of secretary granules of 10-40 nm  in 
diameter. 
      Macula densa of the DCT is usually located close to the J.G.C. Together,they 
form  the  J.G.apparatus.  J.G.C.  produce  renin  which  act  on  a  plasma  protein; 
angiotensinogen,  to  produce  an  inactive  angiotensin  Ι,  which  will  be  converted 
into angiotensinΙΙ by a converting enzyme.        
   Part of the J.G.apparatus are some light-staining cells whose function is not well 
understood, called extraglomerular mesangeal cells or Lacis cells
   After  a  significant  hemorrhage  (decreased  blood  volume  promotes  a  decreased 
blood pressure), there is an increase in renin secretion. Angiotensin II is produced, 
enhancing  blood  pressure  by  both  constricting  arterioles  and  stimulating  the 
secretion of the  adrenocortical  hormone aldosterone. Aldosterone  acts on cells  of 
the  renal  tubules  (mostly  the  distal  tubules)  to  increase  the  absorption  of  sodium 
and chloride ions from the glomerular filtrate. This increase in sodium and chloride 
ions, in turn, expands the fluid volume (particularly blood plasma volume), leading 
to an increase in blood pressure due to increased blood volume. Decreased blood 
pressure caused by other factors (eg, sodium depletion, dehydration) that decrease 
blood volume also activates the renin “ angiotensin II“ aldosterone mechanism that 
contributes  to  the  maintenance  of  blood  pressure.  Aldosterone  deficiency  in 
adrenalectomized  animals  and  in  humans  with  Addison  disease  results  in  an 
excessive loss of sodium in the urine. 
 


background image

 

11

 

 

COLLECTING TUBULES AND DUCTS   

      DCT will open into a straight collecting tubules in the medullary rays. They lie 
side  by  side  and  make  up  most  of  the  pyramids.    Collecting  tubules  are  lined  by 
simple  cuboidal  epith.,  with  a  diameter  of  40µm.  these  tubules  join  each  other 
forming a larger straight collecting ducts, which widen gradually as they approach 
the tips of pyramids. The lining epith. of collecting ducts is simple columnar epith., 
with a diameter of 200µm. The cells of both tubules and ducts are lightly stained, 
with  few  organellls  in  their  cytoplasm.  There  is  no  basal  invagination,  or  lateral 
membrane interdigitations, so the intercellular limits are clearly seen. The epith. of 
collecting duct is under the control of the anti-diuretic hormone(ADH) 
   There are two types of cells in collecting tubules and ducts: 
1-  Light  cells:  pale  staining  cells  with  basal  infoldings,  single  apical  cilium  and 

few microvilli. The cytoplasm contains small spherical mitochondria. 

2-  Dark  cells(  intercalated  cells):  They  are  fewer  in  number,  and  appear  denser, 

and  their  cytoplasm  contains  many  mitochondria.  Their  apical  cytoplasm 
contains  microvilli  and  vesicles.  They  don’t  show  basal  infoldings,  but  have 
basal  interdigitations  with  neighboring  cells.  Dark  cells  gradually  decrease  in 
number as the collecting duct approach the papilla. 
 

                            

 

 

                        

                      

Blood circulation of the kidney

 

 

    Renal  artery  will  enter  the  kidney  through  the  hilum,  and  divide  into  two 
branches; one supplies the anterior part, the other supplies the posterior part of the 
kidney.  An  inter  -lobar  artery  will  run  between  the  medullary  pyramids.  At  the 
cortico-medullary junction, inter lobar artery forms the arcuate artery, from which 
arise the interlobular arteries at right angle to the renal capsule. From inter lobular 
arteries, arise the afferent arterioles which supply the glomerular capillaries, then 
blood goes to the efferent arterioles which branch to give the peritubular capillary 
net work
, to supply PCT and  DCT.  


background image

 

11

 

  The  efferent  arterioles  which  are  associated  with  juxta-medullary  nephrons  are 
long and thin capillaries and they follow a straight path into the medulla, then loop 
back  towards  the  cortico-medullary  boundaries  and  called  vasa  recta.  The 
descending  vessel  is  continuous,  while  the  assending  one  is  fenestrated.  These 
capillaries are important in the nourishment of medulla. 
    Capillaries from outer cortex and capsule converge to form the stellate veins that 
empty  into  the  interlobular  vein.  Veins  follow  the  same  course  of  arteries  in  a 
reverse way. 
 

                        

 

 

Renal interstitium 

 

     It represents the space between tubules, blood, and lymph vessels. It is little in 
the cortex, but increase in  the medulla. It consists  of small amount of  connective 
tissue, collagen fibers, ground substance, and secreting cells; the interstitial cells. 
    There are two types of cortical interstitial cells; fibroblasts and macrophages. 
Fibroblasts are found in  between tubules and capillaries, and they synthesize  and 
secrete  collagen  and  glycosaminoglycans  of  the  extracellular  matrix  of  the 
interstitium.  
    In  the  medulla,  the  principle  interstitial  cells  resemble  myofibroblasts.  Their 
cytoplasm contains abundant actin filaments, abundant RER, well developed Golgi 
complex,  and  lysosomes.  Some  evidence  suggests  that  these  cells  may  secrete  a 
hormone-like material that reduces blood pressure. Prostaglandins and prostacyclin 
may also been synthesized in the interstitium. 


background image

 

12

 

    

URINARY BLADER 

 

    It stores the urine temporarily, before its exsecretion to the outside. The wall of 
the bladder consists of three layers: 
1-Mucosa:  It  is  the  inner  layer,  composed  of  transitional  epith.  and  lamina 
propria. 
    In  an  empty  bladder,  the  transitional  epith.  is  5-6  cells  in  thickness,  the 
superficial  cells  are  rounded  and  bulge  into  the  lumen,  and  they  are  usually 
polypoid or binucleated. When bladder is full of urine, the epith. will stretch and 
cells  will  become    3-4  only  in  thickness  and  the  superficial  cells  become 
sequamous. 
 

  

 

 

                              Empty bladder                                                   Full bladder 
 

    The  bladder  contains  three  orifices;  two  upper  ureteric  orifices,  and  one  lower 
internal  urethral  orifice.  The  triangular  region  defined  by  these  three  orifices  is 
called trigone, is smooth and has constant thickness, while the rest of the wall of 
bladder has variable texture and thickness in relation to the fullness of bladder. 
The trigone originates embryologically from  mesonephric ducts, while the rest of 
bladder wall originates from cloaca. 
   The  superficial  cells  of  the  transitional  epithelium  have  a  special  membrane  of 
thick  plates  separated  by  narrow  bands  of  thinner  membrane  that  are  responsible 
for the osmotic barrier between urine and tissue fluids. 
 
 When  bladder  contracts,  the  membrane  folds  along  the  thinner  regions,  and  the 
thicker plates  invaginate  to form  cytoplasmic  vesicles. These  vesicles  represent  a 
reservoir of these thick plates that can be stored in the cytoplasm of the cells of the 
empty bladder and used to cover the increased cell surface in the full bladder.  
 
 
 


background image

 

13

 

                             

 

                           Plates of the membrane of superficial transitional epithelial cells 

 
    Lamina propria consists of loose connective tissue and diffuse lymphoid tissue. 
2-Muscular  layer:  Thick  layer  that  runs  in  every  direction,  without  distinct 
orientation. At the bladder neck(origin of urethra), the muscular layer will arrange 
in three layers: 
a-  Inner  longitudinal  layer:  it  will  become  circular  distal  to  the  bladder  neck  and 
surrounds  the  prostatic  urethra  in  the  male,  and  external  meatus  of  the  female, 
forming the true involuntary urethral sphincter. 
b- Middle circular layer: it ends at the bladder neck. 
c-  Outer  longitudinal  layer:  continues  to  the  end  of  the  prostate  in  male,  and  the 
external urethral  meatus in female. 
3-  Adventitia: Loose connective tissue rich in blood vessels, except the upper part 

of the bladder which is covered by serosa(because it is an intra peritoneal part).  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


background image

 

14

 

URETER 

 

    Renal calyces, renal pelvis, and ureters have the same histological structure. The 
wall consists of three layers: 
1-  Mucosa: similar to that of the urinary bladder. 
2-  Muscular  layer:  it  has  a  helical  arrangement,  then  near  the  bladder,  it  will 

become  two  layers;  an  inner  longitudinal  and  outer  circular.  When  the  ureter 
pass through the wall of the bladder, the muscles will become longitudinal only. 
The  ureter  pass  obliquely  through  the  bladder  forming  a  valve  to  prevent  the 
back-flow of urine. In addition, there is a flap of bladder mucosal membrane act 
as a valve. 

3-  Adventitia: loose connective tissue.   
 

                                           

 

 

URETHRA 

 

     It is  a tube that carries urine to the outside.  
Male urethra 
 
    
It is divided into three parts: 
1-  Prostatic urethra: represents the initial part, surrounded by the prostate gland, 

very  close  to  the  bladder.  In  the  dorsal  and  distal  part,  there  is  an  elevation; 
verumontanum, that protrudes into the interior. The two ejaculatory ducts open 
on the sides of the verumontanum, in addition to the prostatic glands.  Seminal 
fluid enter through these ducts to be stored before ejaculation. Prostatic urethra 
is lined by transitional epith. 


background image

 

15

 

2-  Membranous  urethra:  about  1cm  long,  extends  from  prostatic  urethra  to  the 

bulb of corpora cavernosa. It is lined by stratified or pseudostratified columnar 
epith., and surrounded by striated muscle; the voluntary urethral sphincter. 

3-  Penile  urethra:  include  both  bulbous  and  pendulous  urethra.  Both  extend 

through the corpus spongiosum of the penis. They are lined by pseudostratified 
columnar  epith.,
  or  columnar  epith.  At  the  distal  part,  the  lumen  of  urethra 
dilates forming fossa navicularis, which is  lined by stratified sequamous epith. 

           The  lamina  propria  of  the  urethra  is  composed  of  loose  connective  tissue 
rich  in  blood  vessels  and  mucous  glands;  Littre's  gland(mostly  at  the  pendulous 
part). 
 

 

 
Female urethra
 
   Short  tube;  about  4-5cm  long,  lined  by  pseudostratified  epith.,  and  near  the 
external  orifice,  it  becomes  stratified  sequamous  epith.  The  middle  portion  is 
surrounded by the external voluntary sphincter.   
      

 

 

 

                Female urethra                                           external orifice

                   

 

   




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 19 عضواً و 174 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