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Chapter 14

Chapter 14 - Cardiovascular Physiology.docx

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University of Toronto St. George
Michelle French

Cardiovascular Physiology ­ If you pull out heart from body, it is still beating  ­ As life evolved, simple one­celled organisms began to band together, first into  cooperative colonies and ten into multicelled organism  o Interior cells of large animals exceeds the rate at which oxygen can diffuse  from body surface so we need circulatory systems to move oxygen to  deepest parts  o In most efficient circulatory systems, the heart pumps blood through a  closed system of vessels   Ensures specific route of blood and systematic distribution of  gases, nutrients, signal molecules and wastes  ­ Cardiovascular system = heart + blood vessels + blood + plasma  o Capillaries: microscopic vessels where blood exchanges material with  interstitial fluid  o William Harvey showed that blood entering right side of heart had to go to  the lungs before it could go to left side of the heart  Overview of the Cardiovascular System ­ Pressure generated in the heart propels blood through system continuously  o Blood picks up oxygen at lungs, and nutrients in the intestine and then  delivers these substances to the body’s cells while simultaneously  removing cellular wastes and heat for excretion  o Cardiovascular system also plays role in cell­to­cell communication and  defending against foreign invaders  ­ The cardiovascular system transports materials throughout the body  o Substances transported by cardiovascular system can be divided into  1) nutrients, water and gases entering body from external environment 2) materials that move from cell to cell within the body  3) wastes that the cells eliminate  o Oxygen enters body at exchange surface of lungs, while water and  nutrients are absorbed across intestinal epithelium   5­10s after blood flow to brain is stopped, person loses conscious.  5­10 minutes causes permanent brain damage  ▯steady supply of  oxygen is needed   Neurons have high rate of oxygen consumption and cannot meet  their metabolic need for ATP by using anaerobic pathways;  homeostatic controls do everything possible to maintain cerebral  blood flow, even it means depriving other cells  o Endocrine glands secrete hormones into blood to reach their targets, and  allow for cell­to­cell communication   Blood also carries nutrients from liver and fatty acids from adipose  tissue, to metabolically active cells   Also, carries WBC and antibodies in order to allow them to patrol  o Picks up on carbon dioxide and metabolic wastes released by cells and  transports them to lungs and kidneys for excretion  o Heats circulates blood to move from body core to surface, where it  dissipates  ­ The cardiovascular system consists of the heart, blood vessels and blood  o Arteries carry blood away from heart;; veins return blood to heart  o System of valves in heart and veins ensures that blood flows in one  direction only, instead of reversing its direction of flow  o Heart is divided by central wall called septum, into left and right halves  which function as independent pumps  Each pump consists of atrium (central room) and ventricle (belly)  Atrium receives blood returning to heard from blood vessels, and  ventricle pumps blood out into blood vessels   Right side receives blood from tissues and sends it to lungs for  oxygenation   Left side receives newly oxygenated blood from lungs and pumps  it to tissues throughout body  o Living people, well­oxygenated blood is bright red, and low­oxygen blood  is a darker red   Cyanosis: bluish colour imparted to certain areas due to low­ oxygen blood o From right atrium, blood flows into right ventricle of the heart  Pumped through pulmonary arteries to lungs, where it is  oxygenated   From lung, blood travels to left side of heart through pulmonary  veins  Pulmonary circulation = pulmonary artery + pulmonary vein  o Blood from lungs enters the heart at left atrium and passes into left  ventricle  Blood pumped out of left ventricle enters large artery known as  aorta   Aorta branches into smaller and smaller arteries, which eventually  branch into capillaries  o Blood flows into venous side of circulation after leaving capillaries;  moves from small veins to larger and larger ones   Veins from upper part of body join to form superior vena cava   Veins from lower part of body join to form inferior vena cava   Two venae cavae empty into right atrium   Systemic circulation: blood vessels that carry blood from left side  of heart to tissues and back to right side of heart  o Coronary arteries nourish the heart muscle itself   Blood from arteries flows into capillaries and then into coronary  vein   Coronary veins empty directly into right atrium at coronary sinus   Ascending branches of aorta go to arms, heads and brain   Abdominal aorta supplies blood to the trunk, legs and internal  organs, digestive tract and kidney  • One blood supply to digestive tract and liver; both receive  well­oxygenated blood through their own arteries, but  blood leaving digestive tract goes directly to liver via  hepatic portal vein  • Most nutrients absorbed in intestine are routed directly to  liver, allowing material to be processes before being  released into general circulation  • Second portal system occurs in kidneys, where two  capillary beds are connected in series  Pressure, Volume, Flow and Resistance ­ Liquids and gases flow down pressure gradients ( DP)  o In humans, heart creates high pressure when it contracts. Blood flows out  of heart (high pressure region) into closed loop (low pressure region)  o Pressure is lost in system due to friction between fluid and blood vessel  walls   Highest pressure is found in aorta and systemic arteries as they receive  blood from left ventricle  Lowest pressure in venae cavae, just before they empty into right atrium ­ The pressure of fluid in motion decreases over distance  o Pressure: force exerted by fluid on its container   Hydrostatic pressure: pressure exerted by non­moving fluid. Force is  exerted equally in all directions   Unit of pressure in heart and blood vessels is in mm Hg, 1 mm Hg = hyd2ostatic pressure exerted by 1mm high column of Hg on  an area of 1cm   • 1 torr = 1 mm Hg  1 cm H 2 = 0.74 mm Hg  o When fluid is moving, pressure is lost over distance due to friction   Fluid has dynamic, flowing component that represents the kinetic energy  of system   Fluid also has lateral component that represents the hydrostatic pressure  (potential energy)  o High pressure blood then flows out of ventricle and into blood vessels, displacing  lower­pressure blood already in the vessels   Driving pressure: pressure created in ventricles  o When walls expand, pressure on blood decreases; when heart relaxes and  expands, pressure in fluid­filled chambers falls   If blood vessels dilate, blood pressure falls; if they constrict, blood  pressure rises   Volume changes of blood vessels and heart are major factors that  influence blood pressure  ­ Blood flows from higher pressure to lower pressure  o Pressure gradient is analogous to difference in pressure between two ends of tube  through which fluid flows   ▯flow is proportional P=P ­P   1 2 o Pressure gradient is not the same thing as absolute pressure in the system  o Ex: in figure 14.4c, the two cylinders have identiP, but the second tube has  lower absolute pressure all along its length than the top one ­ Resistance opposes flow  o Flow  ▯1/R  o Resistance is influenced by radius of tube (r), the length of tube (L), and viscosity  (thickness) of fluid (h)  Poiseuille’s Law: R = 8Lh/pr   since 8/p is a constant, the relationship is  2 RL▯ h/r  Resistance increase as L increases resistance increase as viscosity increases  resistance decreases as radius increases   Blood viscosity is determined by ratio of RBC to plasma, and how much  protein is in plasma   Radius of blood vessels is main variable that effects resistance in the  systemic circulation  • R▯ /r   ▯small change in radius has large effect on resistance  o Vasconstriction: decrease in blood vessel diameter  o Vasodilation: increase in blood vessel diameter  o Combining two equations we get, Flow  ▯P/R  ­ Velocity depends on flow rate and the cross sectional area  o Flow really means volume of blood that passes a given point in a system per unit  time  o Velocity flow is distance a fixed volume of blood travels in given period of time;  how fast blood flows past a point (v=Q/A)   Velocity is faster in narrow sections  Q is flow rate and is usually constant o Flow rate measures how much blood flows past a point in a given period of time;  usually remains constant along length of tube  o Arteries act as a pressure reservoir during heart’s relaxation phase, maintaining  mean arterial pressure (MAP)  MAP is primary driving force for blood flow   MAP influenced by cardiac output (the volume of blood the heart pumps  per minute) and peripheral resistance (the resistance of the blood vessels  to blood flow through them)   MAP  ▯cardiac output x peripheral resistance Cardiac Muscle and the Heart ­ ­ The heart has four chambers o Heart lies in the center of the thoracic cavity  o Pointed apex of heart angles down to left side of body, while the broader  base lies just behind breastbone (sternum)  In heart, apex is point end that is down, and broad end is base  that’s oriented up (like an inverted cone)   Heart lies on ventral side, sandwiched between two lungs,  o Heart is encased in tough membranous sac, the pericardium   A thin layer of clear pericardial fluid inside the pericardium  lubricates external surface of heart as it beats within the sac   Inflammation of pericardium may reduce lubrication to the point  that heart rubs against pericardium, creating a sound known as  friction rub  o Heart is composed of cardiac muscle aka myocardium, covered by thin  outer and inner layers of epithelium and connective tissue   Ventricles are larger than atria which lie at the top   Major blood vessels all emerge from base of heart  • Aorta and pulmonary trunk direct blood from heart to  tissues and lungs, respectively • Venae cavae and pulmonary veins retun blood to heart  • Coronary arteries and coronary veins run across surface of  ventricles in shallow grooves. They supply blood to heart  muscles  o Left and right ventricles separated by interventricular septum, so blood  from one side doesn’t mix with other side’s   The two sides still contract in coordinated fashion, even though  they are separated.   First atria contract together, then ventricles contract together  o Blood flows from veins into atria and from there, through one­way valves  into ventricles, pumping chambers   Blood leaves heart via pulmonary trunk from right ventricle and  via aorta from left ventricle   Second set of valves guards the exits of ventricles so that blood  cannot flow back into heart once it has been ejected  o Blood enters from top of chamber, and exits from top as well  During development, tubular embryonic heart twists back on itself  so arteries are put close to top of ventricles.   ▯ventricles must contract from bottom up so blood is squeezed out  of the top   Four fibrous connective tissue rings surround the four heart valves • They form origin and insertion for cardiac muscle, an  arrangement that pulls apex and base together when  ventricles contract  • Also act as electrical insulator, blocking most transmission  of electrical signals between atria and ventricles  • Ensures that electrical signals can be directed through a  specialized conduction system to the apex of the heart for  the bottom­to­top contraction  ­ Heart valves ensure one­way flow in the heart  o Atrioventricular valves and semilunar valves are set of valves between  atria and ventricles  ▯both prevent backward flow  o The opening between each atrium and its ventricle is guarded by AV  Joined by thin flaps of tissue joined at base to a connective tissue  ring   Flaps are slightly thickened at edge, and connect on ventricular  side to collagenous tendons called chordae tendineae  o Most of chordae fasten to edges of valve flaps   Opposite ends of chordae are tethered to papillary muscles   These muscles provide stability for chordae, but they cannot  actively open and close AV valves  ▯valves move passively when  flowing blood pushes on them   When ventricle contracts, blood pushes against bottom side of AV  valve and forces it upward into a closed position  • Chordae tendinae prevent the valve from being pushed  back into the atrium o The two AV are not identical.  The tricuspid valve separates right atrium  and right ventricle has three flaps  Right Side Tricuspid  ▯R­S­T   Bicuspid valve separates left atrium and left ventricle; aka mitral  valve  o Semilunar valves separate the ventricles from the major arteries   Aortic valve is between left ventricle and aorta   Pulmonary valve is between right ventricle and pulmonary trunk   Each semilunar valve has three cuplike leaflets that snap closed  when blood attempting to flow back into ventricle fills them • Their shape allows them to not require any connective  tissue like AV valves do  ­ Cardiac muscle cells contract without innervation  o Most myocardial cells are contractile, but about 1% of myocardial cells  are specialized to generate action potentials spontaneo                usly   Heart can therefore contract without any outside signal or outside  the body; contraction is myogenic  o Contraction comes from autorhythmic cells aka pacemakers, which are  distinct from contractile cells; they are smaller and contain few contractile  fibers  o Contractile cells are striated muscle with contractile fibers organized into  sarcomeres   Cardiac muscle differs in significant ways from skeletal muscle  and shares some properties with smooth muscle • Cardiac muscle fibers are much smaller than skeletal  muscle fibers and usually have a single nucleus per fiber • Individual cardiac muscle cells branch and join neighboring  cells end­to­end. Cell junctions are known as intercalated  disks  o 2 components: desmosomes and gap junctions  o Desmosomes are strong connections that tie  adjacent cells together, allowing force created in  one cell to be transferred to adjacent cell  • Gap junctions in intercalated disks electrically connect  cardiac muscle cells to one another; allow waves of  depolarization to spread rapidly from cell to cell so that all  heart muscle cells contract almost simultaneously  • T­tubules of myocardial cells are larger than those of  skeletal muscle, and they branch inside the myocardial cells  • Myocardial sarcoplasmic reticulum is smaller than that of  skeletal muscle, reflecting the fact cardiac muscle depends  2+ on extracellular Ca  to initiate contraction (similar to  smooth muscle)  • Mitochondria occupy 1/3 of cell volume of cardiac  contractile fiber  ▯high energy demand on these cells  o Cardiac muscle consumes 70­80% of oxygen  delivered to it by the blood o During some points of exercise, the heart consumes almost all the oxygen  brought to it by coronary arteries  ▯only way to get more oxygen to  exercising heart is to increase blood flow  Restriction due to clot or fatty deposits can damage or kill  myocardial cells  ­ Calcium entry is a feature of cardiac EC coupling  o EC coupling = excitation­contraction coupling  ▯somatic motor neuron  releases Ach to cause action potential to cause EC­coupling  o Action potential originates spontaneously in heart’s pacemaker cells and  spreads into contractile cells through gap junctions  o Ca ­induced Ca  release is the process of EC coupling in cardiac muscle  An action potential that enters a contractile cell moves across the  sarcolemma and into t­tubules   Voltage­gated L­type Ca  channels in the cell membrane  2+ 2+  Ca  enters the cel and opens ryanodine receptor Ca  release  channels (RyR) in SR   When RyR channels open, stored Ca  flows out of SR into  2+   cytosol, creating a Ca  spark  Multiple sparks sum to create Ca signal  o Calcium released from SR provides 90% of Ca  needed for muscle  contraction, and 10% provided from extracellular fluid   Ca  diffuse in cytosol, bind to troponin and initiate cycle of  crossbridge formation and movement   Sliding filament movement that occurs in skeletal muscle takes  place  o As cytoplasmic Ca  concentration decrease, Ca  unbinds from troponin,  myosin releases actin and the contractile filaments slide back to their  relaxed position  2+ 2+  Ca  is transported ba2+ into SR by Ca ­ATPase  +   Cardiac muscle Ca is removed from cell in exchange for Na via  Na ­Ca  exchanger (NCX) 2+  Each Ca  moves out of t+e cell against its electrochemical gradient  in exchange for 3Na  entering the cell down their electrochemical  gradient  + + +  Na  that enters cell during transfer is removed by Na ­K ­ATPase  ­ Cardiac muscle contraction can be graded  o Single muscle fiber has ability to execute graded contractions. Different  fibers vary in amount of force it generates  o Force generated by cardiac muscle is proportional to number of cross  bridges that are active, and number of active crossbridge is determined by  2 how much Ca  is bound to 2+oponin   If [cytosolic Ca ] is low, some crossbridges are not active and  contraction force is small  ▯if additional Ca 2+ enters cell from ECF,  more Ca is released from SR  ▯more crossbridges  o Another factor that affects force of contraction is sarcomere length at  beginning of contraction   Tension generated is directly proportional to initial length of  muscle fiber   Longer muscle fiber and sarcomere when contraction begins, the  greater the tension developed  ­ Myocardial action potentials vary  o Each of the two types of cardiac muscle cells has distinctive action  potential  2+ o In both, Ca  plays an important role action potential o Myorcardial contractile cells’ action potentials are similar to neurons and  skeletal muscle   Rapid depolarization phase of AP is result of Na  entry and steep  repolarization phase is due to K  leaving cells   Difference between myocardial contractile cell and skel2+al muscle  fiber or neuron is that there is longer AP due to Ca  entry  • Phase 4: resting membrane potential  ▯myocardial  contractile cells have stable resting potential of ­90mV • Phase 0: depolarization  ▯wave of depolarization moves  into contractile cell through gap junctions, so membrane  potential becomes more positive o Voltage­gated Na  channels open, allowing Na  to  + enter the cell and rapidly depolarize it  ▯+20mV  + o At +20mV, double­gated Na  channels (similar to  the ones in axon) close  • Phase 1: initial repolarization  ▯when Na channels close, the   + cell begins to repolarize as K  leaves through open K  channels  • Phase 2: plateau  ▯Initial repolarization is very brief. AP  + flattens into plateau because of a decrease in K   permeability and increase in Ca  permeability  o Ca channels activated by depolarization have been  slowly opening during phase 0 and 1  o When “slow” Ca channels finally open, Ca enters  cell while “fast” K channels close  ▯AP flattens  • Phase 3: rapid repolarization  ▯plateau ends when Ca  channels close and K  permeability increases once more  o “Slow” K channels are activated by depolarization  + but are slow to open. When they open, K  exits    rapidly, returning cell to resting potential (phase 4)  o The influx of Ca  during phase 2 lengthens total duration of myocardial  action potential compared to neuron or skeletal muscle fiber   Longer AP helps prevent sustained contraction called tetanus   Refractory period is time following an AP during which normal  stimulus cannot trigger a second potential   In skeletal muscle, the action potential (red) and refractory period  (yellow background) are ending as contraction (blue) begins   Second AP is fired immediately after refractory period causes  summation of contraction  ▯series of AP occurring in rapid  succession causes tetanus  Cannot occur in cardiac muscle because extended AP means  refractory period and contraction end almost simultaneously  • By time second AP can take place, myocardial cell has  almost completely relaxed; no summation can occur o Myocardial autorhythmic cells (other cell in heart) have ability to generate  action potentials spontaneously in absence of nervous system   Results from unstable membrane potential of ­60mV that drifts  upward toward threshold   Pacemaker potential (­60mV) never rests at constant value  Contains channels that are different from channels of other  excitable tissues  + +  At ­60mV, I cfannels (permeable to both K  and Na ) open • Called Ifbecause I=current flow and because they are  unusual (funny)   • Belong to hyperpolarization­activated cyclic nucleotide­ gated channels (HCN) 
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