肾脏的基本功能是生成尿液，通过肾小球强大的滤过功能借以清除体内代谢产物及某些废物、毒物，同时经肾小管重吸收功能保留水分及其他有用物质，如葡萄糖、蛋白质、氨基酸、钠离子、钾离子等，以调节水、电解质平衡及维护酸碱平衡。肾脏同时还有内分泌功能，生成肾素、促红细胞生成素、活性维生素D ₃、前列腺素、激肽等，又为机体部分内分泌激素的降解场所和肾外激素的靶器官。肾脏的这些功能保证了机体内环境的稳定，使新陈代谢得以正常进行，而肾脏复杂多样功能的生物学基础正是基于其特殊的解剖、组织学结构。

肾脏是实质器官，可以分为两个主要的解剖区域，即肾皮质和肾髓质。肾皮质位于肾脏的外周，由髓放线和皮质迷路组成。肾皮质形成了肾脏的主要部分并接受了肾脏的大部分血供，因此外源性化合物大都蓄积在皮质而不是髓质。肾髓质位于肾的内层，由肾锥体组成，锥体的基底部朝向外侧皮质，顶点形成乳头并伸入肾小盏中，肾小盏合成肾盂，肾盂向下逐渐缩小续于输尿管。

肾脏的主要结构和功能单元为肾单位，由肾小体和与之相连的肾小管两部分组成，它与集合管共同完成泌尿功能。肾小体内有一个毛细血管团，称为肾小球。肾小球有特殊的带孔的毛细血管网，根据血浆成分的相对分子质量和带电荷的情况，可选择性地将血浆成分滤过。肾小球外有肾小囊包绕，肾小囊分为两层，外层与肾小管管壁相连，内层紧贴在肾小球毛细血管壁外，之间的囊腔与肾小管管腔相通。肾小管重吸收绝大部分( 98%)的盐和水，依其部位、功能和形态的不同可分为三段:近端小管、髓袢细段和远端小管，其终末部分为集合管，若干集合管汇合成乳头管，尿液由此流入肾小盏。近端小管的直部、细段和远端小管的直部共同形成一个袢状结构，称为髓袢。它可分为降支、袢和升支三部分。髓袢的降支由近端小管直部及细段组成，其升支由远端小管直部加细段组成。髓袢的升支、降支与集合管直部在髓质中平行排列成束状，这种机构正是肾脏逆流倍增系统的形态学基础。肾脏通过血液循环将氧和代谢底物运到肾单位，以维持肾脏功能，同时将代谢终产物运到到小管排出，也能将髓质和肾脏合成和重吸收的物质运到体循环。

肾小球的滤过作用是形成尿液的第一个环节。循环血液流过肾小球毛细血管网时，血浆中的水和小分子溶质，包括少量的分子量较小的血浆蛋白，通过滤过膜滤入肾小囊的囊腔内，形成滤液(原尿)。原尿的成分除了不含血细胞和血浆蛋白质外，其余成分和血浆中相同。滤过膜的超微结构由三层组成:①内层为毛细血管的内皮细胞层，可见大量的圆形孔，可防止血细胞通过，但对血浆蛋白几乎不起屏障作用;②中间层为非细胞性的基膜层，是由微纤维织成的网状结构，微纤维网孔决定了水及部分溶质可以通过，但限制大分子的血浆蛋白质滤出，是滤过膜中主要的屏障;③外层是肾小囊上皮细胞，由突起的足细胞构成，足突间有裂隙，称为裂孔，裂孔上有一薄层裂孔膜，是滤过膜的最后一道屏障。滤过膜的屏障作用由两部分组成:①机械性屏障:分子直径小于2nm(分子量小于70 000Da)的物质可自由通过肾小球滤过膜，随着分子直径的增大，通过滤过膜的能力减小，机械屏障的大小与滤过膜上的孔径大小以及构型有关;②电荷屏障:滤过膜各层含有许多带负电荷的物质，主要为糖蛋白;这些带负电荷的物质排斥带负电荷的血浆蛋白，限制其滤过;肾脏在病理情况下，滤过膜上带负电荷的糖蛋白减少或消失，就会导致带负电荷的血浆蛋白滤过量比正常时明显增加，从而出现蛋白尿。肾小球滤过作用的动力是有效滤过压，是从毛细血管血压减去血浆渗透压和肾小囊内压的净压力差。

肾小球的滤过量大小可用肾小球滤过率( glomerular filtration rate，GFR)表示，单位时间内两肾生成的滤液量称为肾小球滤过率。肾小球滤过功能在肾的排泄功能中占有重要位置，肾小球滤过率是衡量肾功能的重要指标。若一物质能全部经肾小球滤过，肾小管对其不吸收、不排泄，则其清除率可反映肾小球的滤过率，如菊粉、肌酐等。决定肾小球滤过作用的因素主要有三方面:滤过膜通透性是滤过的结构基础;有效滤过压是滤过的动力;肾血浆流量( renal plasma flow，RPF)是滤过的物质基础。

肾小管和集合管的转运包括重吸收和分泌。重吸收是原尿中绝大部分水、营养物质和无机盐等又被重新吸收入血，而分泌是指上皮细胞将本身产生的物质或血液中的物质转运至肾小管腔内。肾小球滤过液进入肾小管后称为小管液，其中99%被肾小管和集合管重吸收，只有约1%被排出体外。滤过液中的葡萄糖可全部被肾小管重吸收回血;钠、尿素等被不同程度地重吸收，肌酐、尿酸和K ⁺等还被肾小管分泌入管腔中。

肾小管的重吸收作用可分为被动的和主动的两种:被动转运是指溶质顺电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过程。水从渗透压低一侧通过细胞膜进入渗透压高一侧。主动转运是指溶质逆电化学梯度通过肾小管上皮细胞的过程，需要消耗能量。根据主动转运过程中能量来源的不同，分为原发性主动转运和继发性主动转运。原发性主动转运所需能量由ATP水解提供，继发性主动转运所需能量则是来源于钠的顺电位移动时所释放的能量。许多物质的转运(如葡萄糖、氨基酸、氯等的重吸收，氢离子的分泌等)都与钠的主动转运相耦联，钠的主动转运在肾小管上皮细胞的转运功能中起着关键性的作用。

肾脏能够根据机体对水分的需求情况，对排出的尿加以浓缩或稀释。所谓尿的浓缩和稀释是根据尿液渗透压与血浆渗透压相比较而言。排出的尿，其渗透压比血浆高，称为高渗尿，表示尿被浓缩;反之，如果尿的渗透压比血浆低，则为低渗尿，表示尿被稀释。

尿的稀释是由于小管液中的溶质被重吸收而水未被重吸收所致。髓袢升支粗段能够主动重吸收Na ⁺和Cl ^－，但对水的通透性甚低，从而形成此处小管液的低渗，成为稀释段。在机体水过剩时，抗利尿激素( ADH)的释放被抑制，集合管对水的通透性降低，来自髓袢的低渗小管液经集合管时NaCl能继续被吸收，而水却不能被吸收，抑制小管液渗透压浓度进一步下降，排出低渗的稀释尿。

尿液的浓缩过程则十分复杂，主要是依靠逆流放大系统在内髓质形成较大的渗透梯度来实现。髓袢是形成髓质渗透压梯度的关键性结构，只有具有髓袢的动物才有浓缩尿的功能。高渗透性是由髓袢和集合管对水和离子不同的渗透性的结果。在外髓部，由于髓袢升支粗段的作用而使小管液渗透压降低。在内髓部，渗透压的梯度还与尿素的循环利用以及NaCl的重吸收有密切关系。髓袢的降支可允许水分子随意进出，而不包括钠离子。间质的高离子浓度将水排出降支，又反过来提高髓袢的渗透压，通过尿素和其他渗质离开集合管穿过肾间质进入升支增大渗透压，从而在髓质形成再循环。集合管通过控制重吸收的水量来调节终尿的浓度。在ADH存在的情况下，集合管几乎是不通透的，水分很少被重吸收。间质的渗透梯度主要由远端小管升支有效地将水移除而维持，远端小管升支比其降支的有效吸收半径更大，大约多出2倍。逆流交换提供了一个重要的屏障带，可以加速溶质的吸收和溶剂从内髓质的排出，因而能维持肾间质的高渗性。

外源性化合物在体内的代谢主要是在肝脏内进行，但在肾脏中也存在着针对外源性化合物的代谢系统。首先，肾脏内也存在氧化酶系统，如细胞色素P450在肾皮质中含量约为0. 16nmol/mg，相当于肝脏的1/5，但在肾小体的某些细胞中，其含量水平几乎与肝细胞无异。肾脏和肝脏的细胞色素P450性质上似乎也略有不同，如大鼠肾脏的混合功能氧化酶不像肝脏是由巴比妥诱导，而是被多环芳烃诱导。此外，肾中也含有多种代谢酶类，例如N-脱甲基酶类、芳烃羟化酶类、UDP-葡萄糖醛酸转移酶、磺基转移酶、硝基氧化酶类、硫氧化酶类、环氧化物水化酶以及谷胱甘肽S-转移酶类等。许多外源性化学物可在肾中进行代谢转化，但肾对外源性化学物的代谢转化具有两方面作用:一方面，某些外源性化学物在肾脏进行代谢转化过程中可形成对肾脏具有损害作用的代谢物，主要是一些肾脏毒物，例如三氯甲烷可经代谢活化形成光气;对乙酰氨基酚在肾中可能被代谢转化，经脱乙酰反应形成对氨基酚，大量对乙酰氨基酚进入机体时，可引起肾坏死。另一方面肾脏的代谢转化具有在肝外代谢中的解毒作用，由于肾脏中含有催化葡萄糖醛酸结合、硫酸结合和谷胱甘肽结合的酶类，借此可消除或减少这些肾毒物对肾的损害，多数物质经过肾内的代谢降解毒性下降。

肾脏对外源性化合物的排泄机制与对内源性代谢废物的消除机制基本相同。可溶性的外源性化合物及其代谢产物均能通过肾小球滤过而随尿排出。肾脏对此类化合物的清除主要取决于肾小球滤过率，很少受肾小管重吸收或分泌的影响。对于不溶性化合物的清除速率，则主要取决于该物质在血中的浓度，是否与血浆蛋白质结合，分子量的大小及其代谢产物的性质。