background image

  بسم ه الرحمن الرحيم

ACIDIFICATION OF THE URINE & 

BICARBONATE EXCRETION  


background image

H

+

 Secretion  

• The cells of the 

proximal

 and 

distal

 tubules, like 

the cells of the gastric glands, 

secrete hydrogen 

ions .

 

•  Acidification also occurs in the 

collecting

 ducts.

 

•  The reaction that is primarily responsible for H

+

 

secretion in the 

proximal

 tubules is Na

+

-H

+

 

exchange .

 

•  This is an example of 

secondary active transport

extrusion of Na

+

 from the cells into the 

interstitium by Na

+

-K

+

 ATPase lowers intracellular 

Na

+

, and this causes Na

+

 to enter the cell from the 

tubular lumen, with coupled extrusion of H

+

.

 

 


background image

H

+

 Secretion  

+

The H

+

 comes from 

intracellular dissociation 

of H

2

CO

3

, and the HCO

3

-

 that is formed 

diffuses

 into the interstitial fluid. 

 

• Thus, for 

each H

+

 ion secreted, 

one Na

+

 ion 

and 

one HCO

3

-

 ion enter the interstitial fluid. 

 

• Carbonic anhydrase 

catalyzes the formation 

of H

2

CO

3

, and 

drugs 

that inhibit carbonic 

anhydrase depress both secretion of acid by 
the 

proximal tubules 

and the reactions 

which depend on it.

 


background image

Secretion of acid by proximal tubular cells in the kidney. H

+

 is transported 

into the 

tubular lumen by an antiport in exchange for Na

+

. Active transport by Na

+

-K

+

 

ATPase is indicated by arrows in the circle. Dashed arrows indicate diffusion.

 


background image

H

+

 Secretion  

• This is in contrast to what occurs in the distal 

tubules and collecting ducts, where H

+

 

secretion is relatively 

independent of Na

+

 

in 

the tubular lumen. 

•  In this part of the tubule, most H

+

 is secreted 

by an 

ATP-driven proton pump.  


background image

H

+

 Secretion  

• Aldosterone

 acts on this pump to increase 

distal H

+

 secretion.  

• The 

I cells 

in this part of the renal tubule 

secrete acid and, like the parietal cells in 
the stomach, contain abundant 

carbonic 

anhydrase 

and numerous tubulovesicular 

structures. 

• Some of the H

+

 is also secreted by 

H

+

-K

+

 

ATPase

.  

 


background image

Fate of H

+

 in the Urine 

• The amount of acid secreted depends upon the subsequent 

events in the tubular urine. 

•  The maximal 

H

+

 gradient 

against which the transport 

mechanisms can secrete in humans corresponds to a urine 

pH

 

of about 

4.5

, ie, an H

+

 concentration in the urine that is 

1000 

times 

the concentration in plasma. 

•  pH 4.5 is thus the 

limiting pH. 

•  If there were no 

buffers

 that "

tied up

" H

+

 in the urine, this pH 

would be reached rapidly, and H

+

 secretion would stop. 

•  However, 

three

 important reactions in the tubular fluid 

remove free H

+

, permitting more acid to be secreted. 

•  These are the reactions with 

HCO

3

-

 to form CO

2

 and H

2

O, with 

HPO

4

2-

 to form H

2

PO

4

-

, and with 

NH

3

 to form NH

4

+

.  

 


background image

• Fate of H

+

 secreted into a tubule in exchange for Na

+

Top: 

Reabsorption of filtered bicarbonate via CO

2

Middle: Formation of 

monobasic phosphate. Bottom: Ammonium formation. Note that in 
each instance one Na

+

 ion and one HCO

3

-

 ion enter the bloodstream 

for each H

+

 ion secreted. A

-

, anion. 


background image

Reaction With Buffers  

• In the proximal tubule, most of the secreted H

+

 reacts with 

HCO

3

-

 to form 

H

2

CO

3

 .  

• The 

H

2

CO

3

 breaks down to form 

CO

2

 

and 

H

2

O

.  

• In the 

proximal

 (but not in the distal) tubule, there is 

carbonic anhydrase

 in the brush border of the cells; this 

facilitates the formation of CO

2

 and H

2

O in the tubular fluid. 

•  The CO

2

, which 

diffuses readily 

across all biological 

membranes, enters the tubular cells, where it adds to the 
pool of CO

2

 available to form H

2

CO

3

•  Since 

most of the H

+

 is removed 

from the tubule, the pH of 

the fluid is changed very little.  

• This is the mechanism by which HCO

3

-

 is reabsorbed; for 

each mole of HCO

3

-

 

removed from the tubular fluid, 

1 mole 

of HCO

3

-

 diffuses from the tubular cells 

into the blood

,  

 


background image

Reaction With Buffers  

• Secreted H

+

 also reacts with dibasic phosphate 

(

HPO

4

2

-

) to form monobasic phosphate 

(

H

2

PO

4

-

). 

•  This happens to the greatest extent in the 

distal tubules and collecting 

ducts,  

•  The reaction with 

NH

3

 occurs in the 

proximal 

and distal

 tubules.  

• H

+

 also combines to a minor degree with other 

buffer

 anions.  

 
 


background image

Ammonia Secretion 

• Reactions in the renal tubular cells produce 

NH

4

+

 

and 

HCO

3

-

•  

NH

4

+

 is in 

equilibrium

 with 

NH

3

 + H

+

 in the cells.  

• Since the pK´ of this reaction is 9.0, the ratio of 

NH

3

 to NH

4

+

 at pH 7.0 is 1:100 .  

• However, 

NH

3

 is 

lipid-soluble

 and diffuses across 

the cell membranes down its concentration 
gradient into the 

interstitial fluid

 and 

tubular 

urine

•  In the urine it reacts with 

H

+

 to form 

NH

4

+

, and 

the NH

4

+

 remains in the urine.  

 
 


background image

Major reactions involved in ammonia production in the kidneys. 

Subsequent metabolism of 

α-ketoglutarate utilizes 

2H

+

, freeing 

2HCO

3

-

 


background image

Ammonia Secretion 

• The principal reaction producing NH

4

+

 in cells is 

conversion of 

glutamine to glutamate

.  

• This reaction is catalyzed by the enzyme 

glutaminase,

 which is abundant in renal tubular 

cells .  

• Glutamic dehydrogenase 

catalyzes the 

conversion of glutamate to 

α-ketoglutarate, with 

the production of more NH

4

+

•  Subsequent metabolism of α-ketoglutarate 

utilizes 

2H

+

, freeing 

2HCO

3

-

.  

 
 


background image

Factors Affecting Acid Secretion 

• Renal acid secretion is altered by changes in the 

intracellular 

PCO

2

K

+

 concentration, carbonic anhydrase 

level, and 

adrenocortical 

hormone concentration.  

• When the PCO

2

 is high (respiratory acidosis), more 

intracellular H

2

CO

3

 is available to buffer the hydroxyl ions and 

acid secretion is enhanced, whereas the reverse is true when 
the PCO

2

 falls. 

•  K

+

 

depletion enhances 

acid secretion, apparently because the 

loss of K

+

 causes intracellular acidosis even though the plasma 

pH may be elevated. 

•  Conversely, 

K

+

 excess 

in the cells 

inhibits

 acid secretion.  

• When 

carbonic anhydrase is inhibited

, acid secretion is 

inhibited, because the formation of H

2

CO

3

 is decreased. 

•  Aldosterone 

and the other adrenocortical steroids that 

enhance tubular reabsorption of Na

+

 also increase the 

secretion of H

+

 and K

+

.  

 
 


background image

Bicarbonate Excretion 

• Although the process of HCO

3

-

 reabsorption 

does not actually involve 

transport of this ion 

into the tubular cells, HCO

3

-

 reabsorption is 

proportionate to the amount filtered over a 
relatively wide range. 


background image

Bicarbonate Excretion 

• When the 

plasma HCO

3

-

 

concentration is 

low

, all the 

filtered HCO

3

-

 is 

reabsorbed

; but when the plasma 

HCO

3

-

 concentration is 

high

, ie, above 26-28 meq/L 

(the renal threshold for HCO

3

-

), 

HCO

3

-

 appears 

in the 

urine

 and the urine becomes alkaline. 

•  Conversely, when the plasma HCO

3

-

 

falls

 below about 

26 meq/L, the value at which all the secreted H

+

 is 

being used to reabsorb HCO

3

-

, more H

+

 becomes 

available to combine with other buffer anions. 

•  Therefore, the 

lower

 the plasma 

HCO

3

-

 concentration 

drops, the more 

acidic the urine

 becomes and the 

greater its 

NH

4

+

 content.  

 
 


background image

Implications of Urinary pH Changes 

• Depending upon the rates of the 

interrelated processes 

of acid secretion, NH

4

+

 production, and HCO

3

-

 

excretion, the pH of the urine in humans varies from 

4.5 to 8.0.

 

•  Acids are buffered in the plasma and cells, the overall 

reaction being HA + NaHCO

3

 

→ NaA + H

2

CO

3

.  

• The H

2

CO

3

 forms CO

2

 and H

2

O, and the CO

2

 is expired, 

while the NaA appears in the glomerular filtrate. 

•  To the extent that the Na

+

 is replaced by H

+

 in the 

urine, Na

+

 is conserved in the body. 

•  Furthermore, for 

each H

+

 ion 

excreted with phosphate 

or as NH

4

+

, there is a net gain of 

one HCO

3

-

 

ion in the 

blood, replenishing the supply of this important buffer 
anion. 


background image

Implications of Urinary pH Changes 

• Conversely, when base is added to the body 

fluids, 

the OH

-

 

ions are buffered, raising the 

plasma HCO

3

-

•  When the plasma level exceeds 

28 meq/L

, the 

urine becomes alkaline and the extra HCO

3

-

 is 

excreted in the urine. 

•  Because the rate of maximal H

+

 secretion by 

the tubules varies directly with the arterial 
PCO

2

, HCO

3

-

 reabsorption also is affected by 

the PCO

2

.  

 
 


background image

 بسم ه الرحمن الرحيم

   

 

 

   

  

Regulation of Extracellular    

  Fluid Composition & Volume  


background image

DEFENSE OF H

+

 CONCENTRATION  

• The 

pH notation 

is a useful means of expressing 

H

+

 

concentrations 

in the body, because the H

+

 concentrations 

happen to be low relative to those of other cations.  

• Thus, the normal Na

+

 concentration of arterial plasma that 

has been equilibrated with red blood cells is about 

140 

meq/L

, whereas the H

+

 concentration is 

0.00004 meq/L 

•  

The pH, the negative logarithm of 0.00004, is therefore 

7.4.  

• Of course, a decrease in 

pH of 1 unit

, eg, from 7.0 to 6.0, 

represents 

a tenfold increase 

in H

+

 concentration.  

• It is important to remember that the pH of blood is the pH 

of true plasma

—plasma that has been in equilibrium with 

red cells

—because the red cells contain hemoglobin, which 

is quantitatively one of the most important blood buffers .  

 
 


background image

H

+

 Balance  

• The pH of the arterial plasma is normally 

7.40

 and that of venous plasma slightly 

lower.  

• Technically, 

acidosis 

is present whenever 

the arterial pH is below 

7.40

, and 

alkalosis

 is present whenever it is above 

7.40

, although variations of up to 

0.05

 pH 

unit occur without untoward effects. 

 


background image

H

+

 Balance  

• Amino acids are utilized in the liver for 

gluconeogenesis

, leaving as products 

NH

4

+

 and 

HCO

3

-

 from their amino and carboxyl groups . 

•  The 

NH

4

+

 is incorporated into 

urea

 and the 

protons

 that are formed are buffered 

intracellularly by 

HCO

3

-

, so little NH

4

+

 and HCO

3

-

 

escape into the circulation. 

•  However, metabolism of 

sulfur-containing

 amino 

acids produces 

H

2

SO

4

, and metabolism of 

phosphorylated

 amino acids such as 

phosphoserine produces 

H

3

PO

4

•  These 

strong acids 

enter the circulation and 

present a major H

+

 load to the buffers in the ECF.  


background image

• Role of the liver and kidneys in the handling of 

metabolically produced acid loads. Sites where 
regulation occurs are indicated by asterisks. 


background image

H

+

 Balance  

• The H

+

 load from 

amino acid 

metabolism is 

normally about 

50 meq/d

.  

• The 

CO

2

 formed by metabolism in the tissues 

is in large part 

hydrated to H

2

CO

3

 

, and the 

total H

+

 load from this source is over 

12,500 

meq/d. 

•  However, most of the 

CO

2

 is excreted in the 

lungs, and only small quantities of the H

+

 

remain to be excreted by the kidneys. 

 


background image

H

+

 Balance  

• Common sources of extra acid loads are 

strenuous exercise (

lactic acid

), 

diabetic ketosis

 

(acetoacetic 

acid and β-hydroxybutyric acid), 

and 

ingestion

 of acidifying salts such as 

NH

4

Cl

 and 

CaCl

2

, which in effect add HCl to the body. 

•  Failure of diseased kidneys to excrete normal 

amounts of acid is also a cause of acidosis.  

• Fruits

 are the main dietary source of alkali. 

•  but a more common cause of alkalosis is 

loss of 

acid 

from the body as a result of 

vomiting

 of 

gastric juice rich in HCl. This is, of course, 
equivalent to adding alkali to the body.  
 
 


background image

Buffering  

• Intracellular and extracellular pH are generally 

maintained at very constant levels. 

•  For example, the pH of the ECF is 

7.40

, and in 

health, this value usually varies less than 

±0.05

 

pH unit. 

•  Body pH is stabilized by the 

buffering capacity 

of 

the body fluids.  

• A buffer is a substance that has the ability to 

bind 

or release H

+

 

in solution, thus keeping the pH of 

the solution relatively constant despite the 
addition of considerable quantities of 

acid or 

base

 


background image

Buffering 

•  One buffer in the body is 

carbonic acid

. This acid 

is only 

partly dissociated 

into H

+

 and bicarbonate: 

   H

2

CO

3

 

↔→ H

+

 + HCO

3

-

•  If H

+

 is added to a solution of carbonic acid, the 

equilibrium 

shifts to the left

 and most of the 

added H

+

 is removed from solution.  

• If 

OH

-

 is added, H

+

 and OH

-

 combine, taking H

+

 

out of solution. However, the decrease is 
countered by more dissociation of H

2

CO

3

, and the 

decline in H

+

 concentration is minimized.  

• Other buffers include the 

blood proteins 

and the 

proteins

 in cells . 


background image

The Henderson-Hasselbalch Equation  

• The general equation for a buffer system is 

• HA ↔ H+   + A- 

 

 

A

-

 represents any 

anion

 and 

HA

 the undissociated 

acid. 

•  If an acid stronger than HA is added to a solution 

containing this system, the equilibrium is 

shifted to 

the left

.  

• Hydrogen ions are "

tied up

" in the formation of more 

undissociated HA, so the increase in 

H

+

 concentration 

is much less than it would otherwise be.  

• Conversely

, if a base is added to the solution, H

+

 and 

OH

-

 react to form H

2

O; but more HA dissociates, 

limiting the decrease in H

+

 concentration. 

 
 


background image

The Henderson-Hasselbalch Equation  

• By the law of 

mass action

, the product of the 

concentrations of the products in a chemical 
reaction divided by the product of the 
concentration of the reactants at equilibrium 
is a constant:  

   

[H] [A-]/[HA] = K

 

 
 


background image

The Henderson-Hasselbalch Equation  

• If this equation is solved for H

+

 and put in pH 

notation (

pH is the negative log of [H

+

]

), the 

resulting equation is that originally derived by 
Henderson and Hasselbalch to describe the pH 
changes resulting from addition of H

+

 or OH

-

 

to any buffer system (Henderson-Hasselbalch 
equation): 

 

PH = PK + log [A-] / [AH] 

 

 
 


background image

The Henderson-Hasselbalch Equation  

• It is apparent from these equations that the buffering capacity 

of a system is greatest when the amount of 

free anion 

is equal 

to the amount of 

undissociated HA

, ie, when [A

-

]/[HA] = 1, so 

that log [A

-

]/[HA] = 0 and pH = pK. 

•  This is why the most effective buffers in the body would be 

expected to be those with 

pKs close to the pH 

in which they 

operate.  
 
 
 


background image

DEFENSE OF TONICITY 

• The defense of the tonicity of the ECF is primarily 

the function of the 

vasopressin

-secreting and 

thirst 

mechanisms. 

 

• The total body 

osmolality

 is directly 

proportionate to the total body sodium plus the 
total body potassium divided by the total body 
wate
r, so that changes in the osmolality of the 
body fluids occur when there is a disproportion 
between the amount of these 

electrolytes

 and 

the amount of 

water 

ingested or lost from the 

body .

 

•  When the effective 

osmotic pressure 

of the 

plasma rises, 

vasopressin 

secretion is increased 

and the 

thirst 

mechanism is stimulated.

 

 


background image

DEFENSE OF TONICITY 

• Conversely, when the plasma becomes 

hypotonic, vasopressin secretion is decreased 
and "solute-free water" (

water in excess of 

solute

) is excreted. 

 

• In this way, the tonicity of the body fluids is 

maintained within a narrow normal range.

 

•  In health, plasma osmolality ranges from 

280 

to 295 

mosm/kg of H

2

O, with vasopressin 

secretion maximally inhibited at 285 mosm/kg 
and stimulated at higher values .

 


background image

DEFENSE OF VOLUME  

• The volume of the 

ECF

 is determined primarily by the 

total amount of osmotically active solute in the ECF.

 

• Since 

Na

+

 and Cl

-

 

are by far the 

most abundant 

osmotically active solutes in ECF, and 

since changes in 

Cl

-

 are to a great extent secondary to changes in Na

+

the amount of Na

+

 in the ECF is the most important 

determinant of ECF volume.

 

•  Therefore, the mechanisms that control 

Na

+

 balance 

are the major mechanisms defending ECF volume.

 

•  There is, however, a 

volume control 

of 

water excretion 

as well; a rise in ECF volume inhibits vasopressin 
secretion, and a decline in ECF volume produces an 
increase in the secretion of this hormone.

 

•  

Volume stimuli 

override the 

osmotic regulation 

of 

vasopressin secretion. 
 


background image

DEFENSE OF VOLUME  

•  

Angiotensin II 

stimulates aldosterone and 

vasopressin secretion. 

•  It also causes 

thirst and constricts 

blood 

vessels, which help to maintain blood 
pressure.  

• Thus, 

angiotensin II 

plays a key role in the 

body's response to hypovolemia . 

•  In addition, expansion of the ECF volume 

increases the secretion of 

ANP 

and 

BNP

 by the 

heart, and this causes 

natriuresis

 and 

diuresis

 .  

 


background image

• Defense of ECF volume by angiotensin II. ACE, 

angiotensin-converting enzyme. 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام عضوان و 77 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