Excretory Products and their Elimination Class 11 Notes

Excretory Products and their Elimination


EXCRETORY WASTE

                      Metabolism                         Excess ingestion
                               |_________________________________|
                                                          ↓
                                    Results in accumulation  of 
Nitrogenous wastes–  NH3, urea, uric acid
Offer contents-   CO2, H2O, ions (Na+, K+, CL-, PO4-3, SO4-2) Removed.
                                      ↓
                                  Partially/Completely.                    

NITROGENOUS WASTES

  • Nature of nitrogenous waste formed and their excretion vary among animals depending on the habitat/availability of water.
    Major                     Nature &                  Toxicity and              Typical
    nitrogenous          Examples                    water 
    waste                                                      required
    Ammonia           Ammonotelic          Maximum                Diffusion
                               Aquatic insects                                       Through Gills
                               Many bony fishes                                   surface or 
                               Aquatic                                                     body surface
                               amphibian                                                as ammonium
                                                                                                 ions
    Urea                Ureotelic                      Lesser                  Kidneys filter
                            Marine fishes                                            urea from
                            Many terrestrial                                        blood
                           amphibians
                            Mammals
    Uric acid          Uricotelic                     Least                  Pellet/Paste
                            Land snails
                            Insects
                            Reptiles
                            Birds
    Notes:-
  •  Ammonia converts into urea in liver.
  • Elimination of urea, uric acid is meant for conservation of water i.e. a type terrestrial adaption.
  • Kidneys do not play a significant role in removal of ammonia.
  • Some amount of urea may be retained in the kidney matrix of some animals to maintain desired osmolarity.

EXCRETORY STRUCTURES

  • Most invertebrates- Simple tubular forms
  • Vertebrates- Complex tubular organs called kidneys.

Structure                                      Examples
Protonephridia/                          Platyhelminthes (Planaria)
Flame cell                                   Rotifers                              
Nephridia                                  Some annelida
                                                 Cephalochordates (Amphioxus)

Nephridia                                Annelids (Earthworms)
Malpighian                             Insects (Cockroaches)
Antennal/Green glands         Crustaceans (Prawn)

Notes;-

  • Protonephridia are primary concerned with osmoregulation 
  • Functions of excretory structures :
    Eliminate nitrogenous wastes
    Maintain ionic and acid-base balance of body fluids, i.e. osmoregulation.    

HUMAN EXCRETORY PRODUCTS AND THEIR ELIMINATION SYSTEM

  • 1 pair, bean shaped, reddish, brown
  • Length 10-12 cm, Width 5-7 cm, Thickness 2-3 cm.
  • Weight 120-170 gram.
  • Between T12- L3 vertebra, close to dorsal inner wall of abdominal cavity
  • 1 pair
  • Have stretch receptors
  • Store urine till voluntary signals from CNS carries out its release.
  • Guarded by sphincters
  • Meant for release of urine. 

MICTURITION

  • Process of release of urine
  • Mechanism- Micturition reflex

                        ↓
Urinary bladder ( Store urine)
                        Activates
            Stretch receptors- signals ↔ CNS (voluntary signals)
                                                            Send motor messages
                                                   Urinary bladder
                                                           Smooth muscles contract
                                                           Urethral sphincters relax
                                                                          Release
                                                                       Urine.

 

EXCRETORY PRODUCTS AND THEIR ELIMINATION- HUMAN EXCRETORY SYSTEM
HUMAN EXCRETORY SYSTEM

KIDNEY

  • Notch towards concave surface 
  • Ureter, blood vessels and nerves enter
  • Funnel shaped space with with projections called calyces
  • Part of cortex which extends between medullary pyramids.

Note:- Medullary pyramids are conical masses that project into calyces.

EXCRETORY PRODUCTS AND THEIR ELIMINATION- SECTION OF KIDNEY-

NEPHRON

  • Functional unit of kidney
  • Nearly 1 million/kidney
  • Each nephron has two parts (i) Glomerulus (ii) Renal tubule.

Types of Nephron

Parameters                          Cortical                             Juxtamedullary
Number                                 More                                    Less
Loop of Henle                      Too short                            Very long
Extension into medulla      Very little                             Deep
Vasa recta                            Absent/reduced                 Present

  • Juxtaglomerular apparatus (JGA)
    Sensitive region formed by cellular modifications in distal convoluted
    tubule and afferent arteriole at the location of their contract.
  • Nephrons are dipped in interstitial fluid having specific osmolarity- Cortex- 300 mOsm/L- Medulla- upto 1200 mOsm/L (Gradient).
  • Glomerulus is a tuft of capiliaries formed by afferent arteriole- a fine branch of renal artery.
  • Malpighian corpuscle, PCT, DCT- Located in cortex.
  • Loop of Henle- Dips into medulla
  • Many DCTs open into straight tube called collecting duct, many of which converge into renal pelvis through medullary pyramids in the calyces.
  • Efferent arteriols emerging from glomerulus forms peritubular capiliaries around renal tubule.
  • Vasa recta:-
    Branch of peritubular capillaries
    Parallel to loop of Henle
    ‘U’ shaped
EXCRETORY PRODUCTS AND THEIR ELIMINATION- NEPHRON
NEPHRON

URINE FORMATION

Main processes:-

  1.  Glomerular filtration:- 180 L filtrate /day

Tubular reabsorption:- nearly 99%  of filtrate get reabsorbed by renal tubules
                                          ↓By
                              |________________________|
                                              ↓
          Active process                       Passive process
Glucose,Na+ amino acid                  Nitrogenous waste, H2 O

3.  Tubular secretion:-
H+, K+ ammonia secreted into filtrate 
Maintains ionic and acid base balance.

Non- selective process →Glomerular Filtration/Ultra filtration 
                                         1/5 of cardiac output or 1100-1200 ml                                                           blood/min is filtered by kidneys
                                                                ↓
                                                          Renal Artery
                                                                ↓
                                                          Arterioles
                                                                ↓
                 (i) Endothelium of glomerular blood vessels |
                                                                ↓                              |
                             (ii) Basement membrane                       |→Filtration
                                                                ↓                              | membrane
                         (iii) Epithelium of Bowman’s capsule       |
                                                              ↓
                           Glomerular filtrate – Bowman’s capsule have                                        (Plasma except proteins)  podocytes arranged in intricate
                                                                  manner so as to leave some
                                                                  spaces called slit pores
                                                                  /filtration slits

Parameter                   Descending limb       Ascending limb
Permeable                   Water                              salt 
Impermeable               Salt                                 water
Filtrate                          Concentrated                Diluted
                                            ↓                                  ↓
                                   Concentrating       Diluting (Minimum reabsorption)
                                   limb                        limb

 

Note:-
PCT

  • Lined by simple cuboidal brush border epithelium.
  • Nearly all essential nutrients, 70-80% electrolytes and water are reabsorbed.
  • Major site of re absorption & selective secretion
  • Filtration is due to pressure in the glomerular capillaries.
  • Glomerular filtration rate (GFR) = Filtration/min 125 ml/min
  • kidney has an ability to regulate GFR.




                                   

                                               

COUNTER CURRENT MECHANISM TO CONCENTRATE FILTRATE

  • Flow of filtrate in different limbs of following structures are in opposite direction (counter current).
  • Loop of Henle (HL)  
  • Vasa recta (VR)
  • HL and VR
  • Proximity of HL and VR and counter current in them increase osmolarity towards inner medullary interstitium (300 mOsm/L in cortex to 1200 mOsm/L in inner medulla).
  • Interstitium gradient is caused by NaCl and urea.
  • NaCl transported by ascending limb of HL exchanged with descending limb of vasarecta and is returned to medullary interstitium by ascending lib of VR.
  • Urea which enters in thin part of ascending limb of HL is transported back to interstitium by collecting tubule.
  • This mechanism maintain interstitium concentration gradient that helps in easy passage of water from collecting tubule thereby concentrating filtrate (urine)

Note:- 

  • HL primary helps to maintain osmolarity gradient in kidney interstitium .
  • Mammals have ability to produce concentrated urine.
EXCRETORY PRODUCTS AND THEIR ELIMINATION- COUNTER CURRENT MECHANISM
COUNTER CURRENT MECHANISM

REGULATION OF KIDNEY FUNCTION/GLOMERULAR FILTRATION RATE

        Hypothalamus                                      JGA
Low blood volume/                         Low GFR/Glomerular               
body fluid volume/                         blood flow/ Glomerular 
Ionic concentration                        blood pressure
            ↓ Activate                                         ↓ Activate
Osmorsceptors of                          JG cell to 
hypothalamus to release             release renin-Angiotensinogen-Angiotensin I
ADH/Vasopressin from                                                                          ↓
neurohypophysis                                                                   Angiotensin II
          ↓Works                                                                             works ↓  
Constrict blood vessels                                              Constrict blood vessel
Increase re absorption of                                                                            
water from DCT                                                        Activate adrenal cortex 
(Prevent diuresis)                                                     to release aldosterone, 
         ↓ Result                                                            that causes reabsorption of 
Blood volume increase                                             Na+ and water
Blood pressure increase                                                      Result ↓  
GFR increase                                                                                                        
Increase in blood volume                                     Blood pressure increase                                                                                           GFR increase
             ↓
Switch off                                           (Renin-Angiotension mechanism)
     Osmoreceptors
            ↓Suppress
 ADH/Vasopressin

  Heart
Increase blood flow to atria of heart

Release of ANF (Atrial Natruretic Factor) 
↓Work
Vasodilation
↓ Result
Blood pressure decrease
GFR decrease

 

Note:– ANF mechanism acts as a check on Renin- Angiotension mechanism.

CHARACTERISTICS AND COMPOSITION OF URINE

  • Colour- Light yellow
  • pH= 6 
  • Odour-Characteristic
  • Human kidneys can produce urine nearly 4 times concentrated than initial filtrate.
  • Urea- 25-30 gm/day
  • Various conditions can affect characteristics of urine.

Abnormal constituents             Condition                     Indicate
of urine
Glucose                                     Glycosuria                      Diabetes mellitus
Ketone bodies                           Ketonuria                      Diabetes mellitus   

Note:- Analysis of urine helps in clinical diagnosis of many metabolic disorders as well as malfunctioning of the kidneys

DISORDERS OF EXCRETORY SYSTEM

Disorders                                 Symptoms or Treatment

Renal calculi –                  Stone or insoluble mass of crystallised salts (e.g.                                                                         oxalates)
Glomerulonephritis–  Inflammation of glomeruli of kidney
Renal/kidney failure– Malfunctioning of kidneys leads to accumulation of
                                     urea in blood(Uremia), highly harmful, may lead to                                                  kidney failure 
                                     Treatment:-
                                       Haemodialysis:- Process to remove urea from blood
                                      Method is a boon for thousands of patients all over the                                         world.  

                                      Blood drained from artery→ Mix with→ Heparin                                                      (Anticoagulant)→Pump through→ Dialysing unit                                                                                                       (Artificial kidney
                                                                                         porous cellophane
                                                                                         tubes surrounded
                                                                                         by dialysing fluid)→                                                                                                    – Filtration based on
                                                                                        concentration gradient-                                                                                                  Nitrogenous wastes
                                                                                  freely move out
                                                                      Mix with clear blood↓
                                                                                          Anti heparin
                                                                   Pumped back to body through↓
                                                                                                                 Vein

                                                           (ii) Kidney transplantation
                                                          Ultimate method in correction of                                                                                acute renal failure

  • Functional kidney is taken from donor.
  • To minimize rejection, close relative are preferred as donor
  • Modern clinical problems have increased success rate of such complicated techniques.

Note:–  Composition of dialysing fluid is same as plasma except the nitrogenous wastes. 

 

ROLE OF OTHER ORGANS IN EXCRETION

Accessory                Remove                           Basic work
structure  
Lungs                 CO2, water                     Remove large amount of CO2                                                                                      approximately 200 ml/min
                                                                   Remove significant quantity of water
Liver
(Largest gland)   Bilirubin, vitamins           Most of these substances pass out                                 biliverdin, drugs               alongwith digestive wastes
                           biliverdin, drugs,
                           cholesterol, degraded
                          steroid hormones 
Skin                    Sweat contains             Primary function of sweat is to facilitate
Sweat glands     NaCl                              cooling effect on body surface.
                            Urea
                            Lactic acid
Sebaceous         Sebum contains            Sebum provides  a protective clly          glands               Sterole                                       converting for
                             Hydrocarbons
                             Waxes
salivary                                                     Small amount of nitrogenous wastes
glands                                                        are eliminated through saliva.
                           
                           

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