Le glomérule rénal filtre le sang principalement en fonction de la taille des particules pour produire un filtrat dépourvu de cellules ou de grosses protéines. La plupart des ions et molécules du filtrat sont nécessaires à l'organisme et doivent être réabsorbés plus loin dans les tubules des néphrons, ce qui entraîne la formation d'urine. Les caractéristiques de l'urine varient en fonction de l'apport hydrique, de l'exercice, de la température ambiante et de l'apport en nutriments. L'analyse d'urine analyse les caractéristiques de l'urine et est utilisée pour diagnostiquer des maladies. Un minimum de 400 à 500 mL d'urine doit être produit quotidiennement pour débarrasser le corps des déchets. Des quantités excessives d'urine peuvent indiquer un diabète insipide ou un diabète sucré. La plage de pH de l'urine est de 4,5 à 8,0 et est affectée par l'alimentation. L'osmolarité varie de 50 à 1200 milliosmoles et est le reflet de la quantité d'eau récupérée ou perdue par les néphrons rénaux.

L'urètre est la seule structure urinaire qui diffère significativement entre les hommes et les femmes. Cela est dû au double rôle de l'urètre masculin dans le transport de l'urine et du sperme. L'urètre prend naissance dans la région du trigone à la base de la vessie. La miction est contrôlée par un sphincter interne involontaire de muscle lisse et un sphincter externe volontaire de muscle squelettique. L'urètre féminin plus court contribue à l'incidence plus élevée d'infections de la vessie chez les femmes. L'urètre masculin reçoit les sécrétions de la prostate, de la glande de Cowper et des vésicules séminales, ainsi que les spermatozoïdes. La vessie est largement rétropéritonéale et peut contenir jusqu'à 500 à 600 mL d'urine. La miction est le processus d'évacuation de l'urine et implique des actions à la fois involontaires et volontaires. Le contrôle volontaire de la miction nécessite un centre sacré de la miction mature et intact. Il nécessite également une moelle épinière intacte. La perte de contrôle de la miction est appelée incontinence et entraîne une évacuation lorsque la vessie contient environ 250 mL d'urine. Les uretères sont rétropéritonéaux et partent du bassinet rénal du rein vers la zone du trigone à la base de la vessie. Une paroi musculaire épaisse composée de muscle lisse longitudinal et circulaire aide à déplacer l'urine vers la vessie par des contractions péristaltiques.

Comme noté précédemment, la structure du rein est divisée en deux régions principales : le cortex périphérique et la médulla centrale. Les deux reins reçoivent environ 25 % du débit cardiaque. Ils sont protégés dans l'espace rétropéritonéal par la capsule adipeuse rénale et les côtes et muscles sus-jacents. Les uretères, les vaisseaux sanguins, les vaisseaux lymphatiques et les nerfs entrent et sortent au niveau du hile rénal. Les artères rénales proviennent directement de l'aorte, et les veines rénales se drainent directement dans la veine cave inférieure. La fonction rénale découle des actions d'environ 1,3 million de néphrons par rein ; ce sont les « unités fonctionnelles ». Un lit capillaire, le glomérule, filtre le sang et le filtrat est capturé par la capsule de Bowman. Un système porte est formé lorsque le sang s'écoule à travers un second lit capillaire entourant les tubules contournés proximaux et distaux et l'anse de Henle. La majeure partie de l'eau et des solutés est récupérée par ce second lit capillaire. Ce filtrat est traité et finalement recueilli par les canaux collecteurs qui se drainent dans les calices mineurs, lesquels fusionnent pour former les calices majeurs ; le filtrat passe ensuite dans le bassinet rénal et enfin dans les uretères.

L'unité fonctionnelle du rein, le néphron, est constituée du corpuscule rénal, du TCP, de l'anse de Henle et du TCD. Les néphrons corticaux ont des anses de Henle courtes, tandis que les néphrons juxtamédullaires ont de longues anses de Henle s'étendant dans la médulla. Environ 15 % des néphrons sont juxtamédullaires. Le glomérule est un lit capillaire qui filtre le sang principalement en fonction de la taille des particules. Le filtrat est capturé par la capsule de Bowman et dirigé vers le TCP. Une membrane de filtration est formée par les membranes basales fusionnées des podocytes et des cellules endothéliales capillaires qu'ils enveloppent. Les cellules mésangiales contractiles jouent en outre un rôle dans la régulation du débit de filtration du sang. Des cellules spécialisées de l'appareil juxtaglomérulaire produisent des signaux paracrines pour réguler le débit sanguin et les taux de filtration du glomérule. D'autres cellules du AJG produisent l'enzyme rénine, qui joue un rôle central dans la régulation de la pression artérielle. Le filtrat entre dans le TCP où l'absorption et la sécrétion de plusieurs substances ont lieu. Les branches descendante et ascendante de l'anse de Henle sont constituées de segments épais et minces. L'absorption et la sécrétion se poursuivent dans le TCD, mais dans une moindre mesure que dans le TCP. Chaque canal collecteur recueille l'urine en formation de plusieurs néphrons et répond à l'hormone hypophysaire postérieure ADH en insérant des canaux hydriques d'aquaporine dans la membrane cellulaire pour affiner la récupération d'eau.

Le volume total du sang est filtré par les reins environ 300 fois par jour, et 99 % de l'eau filtrée est récupérée. Le DFG est influencé par la pression hydrostatique et la pression oncotique colloïdale. Dans des circonstances normales, la pression hydrostatique est significativement plus élevée et la filtration a lieu. La pression hydrostatique du glomérule dépend de la pression artérielle systémique, des mécanismes autorégulateurs, de l'activité nerveuse sympathique et des hormones paracrines. Le rein peut fonctionner normalement sous une large gamme de pressions artérielles grâce à la nature autorégulatrice du muscle lisse.

Le rein régule la récupération d'eau et la pression artérielle en produisant l'enzyme rénine. C'est la rénine qui déclenche une série de réactions, conduisant à la production de l'angiotensine II vasoconstrictrice et de l'aldostérone, un stéroïde retenant le sel. La récupération d'eau est également puissamment et directement influencée par l'hormone ADH. Même ainsi, elle n'influence que les 10 derniers pour cent de l'eau disponible pour la récupération après filtration au niveau du glomérule, car 90 % de l'eau est récupérée avant d'atteindre les canaux collecteurs. Selon l'état hydrique du corps à un moment donné, les canaux collecteurs peuvent récupérer aucune ou presque toute l'eau qui les atteint.

Les mécanismes de récupération des solutés incluent le transport actif, la diffusion simple et la diffusion facilitée. La plupart des substances filtrées sont réabsorbées. L'urée, le NH₃, la créatinine et certains médicaments sont filtrés ou sécrétés comme déchets. Les H⁺ et HCO₃^– sont sécrétés ou réabsorbés selon les besoins pour maintenir l'équilibre acido-basique. Le mouvement de l'eau depuis le glomérule est principalement dû à la pression, tandis que celui des capillaires péritubulaires et des vasa recta est dû à l'osmolarité et aux gradients de concentration. Le TCP est la partie la plus métaboliquement active du néphron et utilise un large éventail de micromachines protéiques pour maintenir l'homéostasie — symporteurs, antiporteurs et transporteurs actifs ATPase — en conjonction avec la diffusion, simple et facilitée. Presque 100 % du glucose, des acides aminés et des vitamines sont récupérés dans le TCP. Le bicarbonate (HCO₃^–) est récupéré en utilisant la même enzyme, l'anhydrase carbonique (CA), que l'on trouve dans les érythrocytes. La récupération des solutés crée un gradient osmotique pour favoriser la récupération d'eau. L'anse descendante des néphrons juxtaglomérulaires atteint une osmolarité allant jusqu'à 1200 mOsmol/kg, favorisant la récupération d'eau. L'anse ascendante est imperméable à l'eau mais récupère activement le Na⁺, réduisant l'osmolarité du filtrat à 50–100 mOsmol/kg. L'anse descendante et ascendante et les vasa recta forment un système multiplicateur à contre-courant pour augmenter la concentration de Na⁺ dans la médulla rénale. Les canaux collecteurs pompent activement l'urée dans la médulla, contribuant ainsi à l'environnement osmotique élevé. Les vasa recta récupèrent le soluté et l'eau dans la médulla, les renvoyant à la circulation. Près de 90 % de l'eau est récupérée avant que l'urine en formation n'atteigne le TCD, qui en récupérera 10 % supplémentaires. La récupération du calcium dans le TCD est influencée par la PTH et la vitamine D active. Dans les canaux collecteurs, l'ADH stimule l'insertion de canaux d'aquaporine pour augmenter la récupération d'eau et ainsi réguler l'osmolarité du sang. L'aldostérone stimule la récupération de Na⁺ par le canal collecteur.

Les reins sont innervés par les nerfs sympathiques du système nerveux autonome. L'activité nerveuse sympathique diminue le débit sanguin vers le rein, rendant plus de sang disponible pour d'autres zones du corps en période de stress. Le mécanisme myogène artériolaire maintient un débit sanguin constant en provoquant la contraction du muscle lisse artériolaire lorsque la pression artérielle augmente et sa relaxation lorsque la pression artérielle diminue. La rétroaction tubulo-glomérulaire implique une signalisation paracrine au niveau du AJG pour provoquer une vasoconstriction ou une vasodilatation afin de maintenir un débit sanguin constant.

Les hormones endocrines agissent à distance et les hormones paracrines agissent localement. L'enzyme rénale rénine convertit l'angiotensinogène en angiotensine I. L'enzyme pulmonaire, l'ECA, convertit l'angiotensine I en angiotensine II active. L'angiotensine II est un vasoconstricteur actif qui augmente la pression artérielle. L'angiotensine II stimule également la libération d'aldostérone par le cortex surrénal, ce qui amène le canal collecteur à retenir le Na⁺, favorisant la rétention d'eau et une augmentation à plus long terme de la pression artérielle. L'ADH favorise la récupération d'eau par les canaux collecteurs en stimulant l'insertion de canaux hydriques d'aquaporine dans les membranes cellulaires. Les endothélines sont élevées dans les cas de néphropathie diabétique, augmentant la rétention de Na⁺ et diminuant le DFG. Les hormones natriurétiques, libérées principalement par les oreillettes du cœur en réponse à l'étirement des parois auriculaires, stimulent l'excrétion de Na⁺ et diminuent ainsi la pression artérielle. La PTH stimule l'étape finale de la formation de la vitamine D3 active et réduit la réabsorption des phosphates, entraînant des niveaux circulants de Ca⁺⁺ plus élevés.

Les principales hormones régulant les fluides corporels sont l'ADH, l'aldostérone et l'ANH. La progestérone est similaire en structure à l'aldostérone et peut se lier aux récepteurs de l'aldostérone et les stimuler faiblement, produisant une réponse similaire mais diminuée. La pression artérielle est le reflet du volume sanguin et est surveillée par des barorécepteurs dans la crosse de l'aorte et les sinus carotidiens. Lorsque la pression artérielle augmente, davantage de potentiels d'action sont envoyés au système nerveux central, entraînant une plus grande vasodilatation, un DFG plus élevé et une plus grande perte d'eau dans l'urine. L'ANH est libérée par les cardiomyocytes lorsque la pression artérielle augmente, provoquant une perte de Na⁺ et d'eau. L'ADH à des niveaux élevés provoque une vasoconstriction en plus de son action sur les canaux collecteurs pour récupérer plus d'eau. Les diurétiques augmentent le volume urinaire. Les mécanismes de contrôle de la concentration de Na⁺ dans le sang incluent le système rénine–angiotensine–aldostérone et l'ADH. Lorsque le Na⁺ est retenu, le K⁺ est excrété ; lorsque le Na⁺ est perdu, le K⁺ est retenu. Lorsque le Ca⁺⁺ circulant diminue, la PTH stimule la réabsorption du Ca⁺⁺ et inhibe la réabsorption de ${\text{HPO}}_4^{2-}$. Le pH est régulé par des tampons, l'expiration de CO₂ et l'excrétion d'acide ou de base par les reins. La dégradation des acides aminés produit de l'ammoniac. La majeure partie de l'ammoniac est convertie en urée moins toxique dans le foie et excrétée dans l'urine. La régulation des médicaments se fait par filtration glomérulaire, sécrétion tubulaire et réabsorption tubulaire.

Les effets de la défaillance de certaines parties du système urinaire peuvent aller de l'inconvénient au fatal. Les reins catalysent la réaction finale de la synthèse de la vitamine D active qui, à son tour, aide à réguler le Ca⁺⁺. L'hormone rénale EPO stimule le développement des érythrocytes et favorise un transport adéquat de l'O₂. Les reins aident à réguler la pression artérielle par la rétention et la perte de Na⁺ et d'eau. Les reins travaillent avec le cortex surrénal, les poumons et le foie dans le système rénine–angiotensine–aldostérone pour réguler la pression artérielle. Ils régulent l'osmolarité du sang en régulant à la fois les solutés et l'eau. Trois électrolytes sont plus étroitement régulés que d'autres : Na⁺, Ca⁺⁺ et K⁺. Les reins partagent la régulation du pH avec les poumons et les tampons plasmatiques, afin que les protéines puissent préserver leur conformation tridimensionnelle et donc leur fonction.