Universidade Federal Rural de Pernambuco
Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal
Área de Biofísica
Sistema circulatório
Prof. Romildo Nogueira
1. Noções básicas
O sistema circulatório tem a função transportar e distribuir substâncias essenciais aos
tecidos e retirar subprodutos do metabolismo. Além disso, participa de mecanismos
homeostáticos, como o controle da temperatura corporal, da comunicação humoral por todo
organismo e dos ajustes do suprimento de oxigênio e nutrientes nos diferentes estados
fisiológicos.
O sistema circulatório é constituído por uma bomba (o coração), que impele o sangue
através de uma série de tubos distribuidores e coletores (artérias e veias) e um complexo e
extenso sistema de vasos de finas paredes que possibilitam a troca de substâncias entre o
sangue e os vários tecidos do organismo. Na verdade, o coração é constituído por duas bombas
em série: uma para impelir o sangue através dos pulmões para troca de oxigênio e dióxido de
carbono, denominada de circulação pulmonar, e outra para impelir o sangue para todos os
outros tecidos do organismo, conhecido como circulação sistêmica. Na circulação sistêmica,
apesar do débito cardíaco (quantidade de sangue propelido por cada ventrículo do coração
em um minuto), ser intermitente, o fluxo sanguíneo para periferia é contínuo devido à
distensão da aorta e de seus ramos durante a contração ventricular (sístole), e a retração
elástica das paredes das grandes artérias propulsionando para diante o sangue durante o
relaxamento ventricular (diástole). O sangue se move rapidamente pela aorta e seus ramos
arteriais. Os ramos se estreitam nas artérias mais periféricas e suas paredes se tornam mais
finas e se modificam histologicamente. A partir de uma estrutura predominantemente
elástica, a aorta, as artérias periféricas se tornam mais musculares até as arteríolas, cuja
camada muscular é predominante. Até as arteríolas, a resistência friccional ao fluxo
sanguíneo é relativamente pequena e, apesar do fluxo rápido nas artérias, a queda de pressão
da raiz da aorta até o início das arteríolas é pequena. Essas arteríolas são as válvulas
reguladoras da árvore vascular, são os principais pontos de resistência ao fluxo sanguíneo no
sistema circulatório. Essa resistência oferecida pelas arteríolas se reflete na considerável
queda de pressão das arteríolas para os capilares. Os ajustes do grau de contração da
musculatura circular desses pequenos vasos permitem a regulação do fluxo sanguíneo tecidual
e ajudam a controlar a pressão sanguínea. Além da queda rápida da pressão nas arteríolas,
ocorre nessa região uma alteração do fluxo, que passa de pulsátil a uniforme. O fluxo
sanguíneo arterial pulsátil, provocado pela ejeção cardíaca intermitente, é amortecido nos
capilares devido a distensibilidade das grandes artérias e da resistência friccional das
arteríolas. Muitos capilares brotam de cada arteríola, de modo que a área transversal total do
leito capilar é muito grande, apesar da área transversal de cada capilar ser inferior a de cada
arteríola. Conseqüentemente, o fluxo sanguíneo fica bastante lento nos capilares, da mesma
forma que a correnteza é mais lenta nas regiões largas de um rio. Como os capilares consistem
em pequenos tubos com paredes finas (somente uma camada de celular de espessura), e o
fluxo é lento, as condições nos capilares são ideais para troca de substâncias difusíveis entre o
sangue e os tecidos.
No retorno ao coração, o sangue proveniente das arteríolas passa por vênulas e , depois por
veias de diâmetros crescentes. Quanto mais próximo do coração, menor é número de veias, a
espessura e composição das suas paredes se alteram e menor é a área transversal total dos
canais venosos e portanto, maior é a velocidade do fluxo sanguíneo. A maior parte do sangue
circulante fica nos canais venosos.
O sangue venoso penetra pelo átrio direito no ventrículo direito de onde é bombeado
através do sistema arterial pulmonar (sob pressão média de aproximadamente 1/7 da
existente nas artérias sistêmicas) para os pulmões. Nos capilares pulmonares, o dióxido de
carbono é liberado e o oxigênio captado. O sangue rico em oxigênio retorna, pelas veias
pulmonares, ao átrio e ao ventrículo esquerdos, para que um novo ciclo seja iniciado.
Vários aspectos biofísicos podem ser abordados no estudo do sistema circulatório, contudo,
em nosso estudo realizaremos uma revisão dos corpos figurados do sistema circulatório
(sangue), as propriedades eletromecânicas da bomba cardíaca e a hemodinâmica. Finalmente,
será realizada uma breve análise comparativa entre os sistemas circulatórios nos diferentes
tipos de animais.
2.
2. O sangue
O sangue é uma suspensão de vários tipos celulares em um meio aquoso complexo, o
plasma. Os elementos do sangue desempenham múltiplas funções essenciais para o
metabolismo e a defesa do organismo contra uma possível lesão.
O plasma pode ser separado das células sanguíneas por centrifugação (um anticoagulante
deve ser usado). No plasma estão dissolvidas eletrólitos, proteínas, lipídios, carboidratos
(particularmente glicose), aminoácidos, vitaminas, hormônios, produtos de decomposição
nitrogenada do metabolismo (tais como uréia e ácido úrico), oxigênio, dióxido de carbono e
nitrogênio gasoso. As concentrações desses componentes podem variar como resultado do tipo
de dieta, demanda metabólica, níveis hormonais e de vitaminas. Normalmente, a composição
do sangue é mantida em níveis biologicamente seguros por inúmeros mecanismos de
homeostasia. Esses níveis ficam comprometidos em distúrbios do organismo, particularmente
aqueles que afetam os pulmões, a circulação, os rins, o fígado e os órgãos endócrinos.
Durante sua circulação, o sangue desempenha o importante papel de captar o oxigênio que
se difunde dos alvéolos pulmonares para o plasma nos capilares pulmonares e, daí, para as
hemácias, onde se combina com a hemoglobina, o principal carreador de oxigênio no sangue.
O dióxido de carbono, produzido nos tecidos por oxidação dos compostos carbônicos, difundese para os capilares periféricos , e a seguir, é carreado pelo sangue até os pulmões, onde é
excretado. Na biofísica da respiração discutiremos com maiores detalhes esse tema.
Os componentes iônicos do plasma mantêm o pH do sangue dentro dos limites fisiológicos.
A osmolaridade do plasma é mantida pelos solutos iônicos e não iônicos. Os componentes
iônicos no plasma de um homem adulto são : sódio ( 135-145 mEq/l); potássio (3,5- 5,0 mEq /
l); cálcio ( 2,2 – 2,5 mEq / l); magnésio ( 1,5 – 2,0 mEq / l) ; hidrogênio ( pH entre 7,35 – 7,45);
cloreto ( 95 – 107 mEq / l); bicarbonato (22 – 26 mEq / l); lactato (1,0 – 1,8 mEq / l); sulfato
(1,0 mEq / l); fosfato ( 2,0 mEq / l). Entre os componentes não-iônicos encontram-se proteínas:
albumina ( 3,5 – 5,0 g / dl ) ; globulina total ( 2,2 – 4,0 g / dl ); transferrina ( 250 mg / dl ) ;
haptoglobina ( 30-205 mg / dl); hemopexina ( 50 – 100 mg / dl ) ; ceruloplasmina ( 25-45 mg /
dl); ferritina ( 15- 300 g / l ). Componentes não-proteícos são também encontrados no
plasma, são eles: o colesterol ( 140-250 mg/dl); glicose ( 70-110 mg/dl); nitrogênio uréico ( 6-23
mg/dl); ácido úrico ( 4,1-8,5 mg/dl); creatinina (0,7-1,4 mg / dl) ; ferro ( 50-150 g / dl). A
osmolaridade normal do plasma é de 280 a 300 m Osm / kg de água.
As várias proteínas plasmáticas pertencem basicamente a
albumina e as diversas
imunoglobulinas. As proteínas plasmáticas (ou séricas) são caracterizadas por sua migração
num campo elétrico com pH de 8,6. A albumina migra mais rapidamente na direção do
ânodo e as espécies de globulina descritas como alfa-1, alfa-2 e beta migram cada vez menos
rapidamente. A gamaglobulina migra muito lentamente. Esse método eletroforético permite a
separação / identificação dessas proteínas plasmáticas.
A albumina é sintetizada pelas células parenquimais do fígado. A albumina sendo pouco
difusível através do endotélio vascular proporciona uma pressão coloidosmótica ou oncótica
crítica que regula a passagem de água e dos solutos difusíveis através da parede capilar. A
albumina, também, carreia substâncias por ela adsorvidas, como por exemplo, a bilirrubina,
ácidos graxos (componentes normais do sangue) e agentes exógenos, como medicamentos.
As imunoglobulinas (anticorpos) resultam da estimulação de linfócitos, em resposta a sua
exposição a antígenos. As imunoglobulinas são sintetizadas pelos plasmócitos, nos órgãos
linfóides, e são importantes como defesa contra as infecções.
Outras proteínas também estão presentes no plasma, tais como fatores da coagulação (cujo
mais abundante é o fibrinogênio), componentes do complemento (um grupo de proteínas que
medeiam os efeitos biológicos das reações imunes); várias enzimas ou seus precursores e
inibidores, carregadores específicos de componentes como o ferro e o cobre, os hormônios, as
vitaminas , captadores da hemoglogina livre e de grupo heme. Os lipídios plasmáticos, dos
quais os principais são os triglicerídios, o colesterol e os fosfolipídios, são transportados em
combinação com as proteínas plasmáticas, as apolipoproteínas.
As células sanguíneas
Os componentes celulares do sangue incluem as hemácias (eritrócitos) , leucócitos e
plaquetas. Os leucócitos são classificados em neutrófilos, eosinófilos, basófilos, monócitos e
linfócitos.
Devido a sua participação em vários mecanismos biofísicos, as hemácias serão tratadas
mais detalhadamente que os outros componentes celulares do sangue.
Hemácias
A hemácia (eritrócito) madura é uma célula anucleada circundada por membrana
deformável bem adaptada a necessidade de atravessar capilares estreitos. As hemácias são
discos bicôncavos, cada um com diâmetro de aproximadamente 8 m, espessura de 2 m em
sua borda e volume de aproximadamente 87 m3 . Nos adultos normais, as hemácias ocupam,
em média, cerca de 48% do volume do sangue em homens e 42% em mulheres. Este
percentual do volume do sangue representado pelas hemácias é definido como hematócrito.
O principal componente protéico do citoplasma da hemácia madura é a hemoglobina. O
sangue normal possui cerca de 15 g de hemoglobina / dl nos homens adultos e cerca de 13,5 g /
dl nas mulheres adultas. O citoplasma e a membrana da hemácia também contêm enzimas
que fornecem energia suficiente para preservar a integridade da célula, para manter as
concentrações intracelulares de potássio acima e de sódio abaixo das existentes no plasma
circundante, para converter o dióxido de carbono em íon bicarbonato e para prevenir a
transformação oxidativa da hemoglobina em proteína não –funcional, a metaemoglobina.
A hemoglobina , proteína sintetizada na medula óssea pelos precursores nucleados das
hemácias , é uma molécula complexa com peso molecular de 68 K Da. É formada por dois
pares desiguais de subunidades polipeptídicas “globina” - duas cadeias alfa e duas outras que
podem ser beta, gama ou delta. Na hemoglobina F (prevalente no feto e recém-nascido) são
duas cadeias alfa e duas cadeias gama. A hemoglobina A, prevalente no adulto, consiste de
duas cadeias alfa e duas beta. Uma pequena proporção da hemoglobina é constituída por duas
cadeias alfa e duas delta, ou hemoglobina A2 .
Cada subunidade globina apresenta uma ligação covalente a um grupo prostético formado
por um tetrapirrol, o heme. Uma enzima mitocondrial, a heme sintetase, introduz um átomo
de ferro ferroso no anel tetrapirrol (na protoporfirina IX). O oxigênio fixa-se reversivelmente
ao ferro incorporado a unidade heme. Detalhes deste mecanismo serão dados na biofísica da
respiração.
A vida média da hemácia na circulação é de 120 dias. A maior parte das hemácias
senescentes é englobada pelos macrófagos do sistema reticuloendotelial, particularmente no
fígado e no baço. Nos macrófagos, a hemoglobina é retirada das células e catabolizada em
globina e heme. A globina é desintegrada por proteases celulares em seus aminoácidos
componentes, que se unem ao reservatório de aminoácidos do plasma e são reutilizados na
síntese protéica. O heme (tetrapirrol), é clivado enzimaticamente, liberando seu átomo de
ferro e formando um tetrapirrol linear, a biliverdina. O ferro liberado é reutilizado, em sua
maior parte, para formação de heme nos eritroblastos. A biliverdina é reduzida a bilirrubina,
que é liberada no plasma, onde é fixada pela albumina e transportada para as células
parenquimais do fígado. Nestas células, é acoplada ao ácido glicurônico, formando um
conjugado hidrossolúvel que é excretado na bile. A bilirrubina perde seu ácido glicurônico
nesse processo e parte dessa bilirrubina é reabsorvida como tal pela corrente sanguínea, para
ser excretada pelo fígado. Entretanto, a maior parte é reduzida por enzimas bacterianas no
intestino, formando sucessivamente tetrapirróis, os urobilinogênios ( que são incolores) e
estercobilina e urobilina ( que emprestam a coloração castanha das fezes). Por sua vez, parte
do urobilinogênio e da urobilina é reabsorvida pelo intestino. A seguir, podem ser
reexcretados pelo fígado, nos canais biliares, ou excretados na urina. A outra parte das
hemácias senescentes (10 a 20 %) são destruídas na corrente sanguínea, onde a hemoglobina
liberada é fixada a uma proteína carreadora específica, a haptoglobina. Parte da hemoglobina
plasmática é clivada na árvore vascular em globina e heme; este último fixa-se a outra
proteína carreadora, a hemopexina. Os complexos hemoglobina-haptoglobina e hemehemopexinas são retirados da circulação pelo fígado e catabolizados pelas células
parenquimais hepáticas.
Quase todo ferro necessário para síntese da hemoglobina provém desse catabolismo dos
compostos que contêm heme. O ferro é excretado dos macrófagos para o plasma, onde se une
na forma férrica a uma proteína carreadora, a transferrina (globulina fixadora de ferro), que
o transporta para células que dele necessitam para síntese do heme, basicamente os
eritroblastos e reticulócitos. A transferrina une-se aos receptores específicos da membrana
nessas células. O ferro, reduzido para o estado ferroso, é incorporado ao heme ou armazenado
como ferritina. Este é um complexo de uma proteína hidrossolúvel (apoferritina) e hidróxido
ferroso. Os macrófagos do sistema reticuloendotelial também armazenam ferro como
ferritina, proporcionando, assim, uma reserva desse metal essencial. Parte da ferritina é aí
degradada até uma forma insolúvel, a hemossiderina, que também pode fornecer ferro
quando necessário. A ferritina é encontrada no plasma normal, assim como em certos órgãos
como o fígado, o baço e o coração. A reciclagem do ferro é muito eficaz, porém pequenas
quantidades são perdidas continuamente, em grande parte pela descamação da mucosa
intestinal. Cerca de 1 mg de ferro / dia deve ser ingerido diariamente por um adulto normal.
A absorção do ferro se processa nas células mucosas do duodeno e do jejuno. A quantidade
de ferro absorvida é feita em quantidade suficiente para compensar a que foi perdida pelo
organismo.
Leucócitos
O sangue normal contém entre 4000 e 100000 leucócitos em cada microlitro. Dessas células,
aproximadamente 40 % a 75 % são neutrófilos; 20 % a 45 % são linfócitos; 2 % a 10 % são
monócitos; 1 % a 6 % eosinófilos e menos que 1 % basófilos.
Neutrófilos, eosinófilos e basófilos são descritos de maneira coletiva como granulócitos, são
diferenciados pela natureza dos grânulos em seu citoplasma.
Os neutrófilos possuem núcleos com 2 a 5 lobos e uma grande quantidade de minúsculos
grânulos no citoplasma. Parte desses grânulos, denominados primários, contêm inúmeras
enzimas, entre as quais a lisozima, enzima que digere as paredes de certas bactérias, e uma
peroxidase que reduz o peróxido de hidrogênio. Ainda em maior quantidade, se encontra os
grânulos secundários ou específicos que contêm uma proteína fixadora de ferro (lactoferrina),
uma proteína catiônica bactericida e uma proteína fixadora de vitamina B 12 .
Dentro de 12 horas ou menos após seu lançamento na corrente sanguínea pela medula
óssea, os neutrófilos migram para os tecidos extravasculares onde sobrevivem por 4 ou 5 dias.
A atração dos neutrófilos para os locais de lesão nos tecidos extravasculares é feita por
agentes quimiotáxicos, entre eles os agentes liberados por microrganismos ou pelos tecidos
lesados, pelos componentes do sistema de coagulação e do complemento. Os neutrófilos
compõem uma das principais defesas contra a infecção por bactéria.
Os mecanismos para destruição das bactérias começam com a fixação da bactéria a
superfície do neutrófilo. Esse processo é mediado pela fibronectina e por opsoninas dos
anticorpos e do complemento que estão aderidas a superfície bacteriana. Pseudópodos
extruídos
pelos neutrófilos circundam as bactérias aderidas e as envolvem formando
vacúolos, os fagossomas, um processo denominado fagocitose. As bactérias são destruídas
nesses vacúolos por enzimas liberadas pelos grânulos neutrofílicos que se fundem as
membranas que revestem os fagossomas. Um aumento brusco dessas células constitui uma
resposta característica a infecção por microorganismos. Esse aumento é causado tanto pela
mobilização de neutrófilos do reservatório marginal (principalmente, baço e fígado) quanto
pela estimulação da produção dessas células. Uma lesão tecidual não-bacteriana, por exemplo,
um infarto do miocárdio também é acompanhado de uma leucocitose.
Os eosiófilos possuem em sua grande parte, núcleos com dois lobos e contém no seu
citoplasma grandes grânulos. Quando liberado na corrente sanguínea, a maioria dos
eosinófilos migra, dirigido por agentes quimiotáxicos, dentro de 30 minutos, para os tecidos
extravasculares, onde sobrevivem por 8 a 12 dias. Os eosinófilos são células fagocíticas e
destroem os organismos por mecanismos oxidativos semelhantes (porém não idênticos) aos
neutrófilos. Infestações parasitárias do tipo triquinose e esquistossomose ou certos estados
alérgicos ou de hipersensibilidade (p.ex, asma), aumentam a presença dessas células no sangue
periférico.
Os basófilos possuem núcleos multilobado e grandes grânulos citoplasmáticos e são células
móveis e fagocíticas. Após migrarem para os tecidos extracelulares podem ser estimulados por
complexos de antígenos aderidos a imunoglobulina E (IgE) e que reagem com receptores
específicos para IgE na superfície dos basófilos. As células estimuladas podem liberar
histamina de seus grânulos para os tecidos circundantes e isso produz resposta anafilática
sistêmica explosiva ou dilatação local e aumento da permeabilidade dos vasos sanguíneos,
resultando num edema local. Como os basófilos, os mastócitos podem ser responsáveis podem
ser responsáveis por alguns fenômenos associados a reações imunológicas localizadas. Por
estimulação apropriada, os mastócitos também liberam histaminas de seus grânulos,
produzindo reações imunológicas agudas ou vergões localizados.
Os monócitos são maiores que os outros leucócitos, possuem diâmetro médio em torno de
15 a 20 m e apresentam núcleo entalhado (normalmente na forma de um rim) e minúsculos
grânulos citoplasmáticos. Os monócitos são liberados para corrente sanguínea pela medula
óssea. Após 1 ou 2 dias, migram para os tecidos, particularmente o fígado, baço, gânglios
linfáticos e os pulmões. Aí, eles formam macrófagos do sistema reticuloendotelial, células com
múltiplas funções que podem replicar-se in situ. Os monócitos e os macrófagos são células
móveis,
altamente
fagocíticas,
capazes
de
ingerir
inúmeras
partículas,
incluindo
microrganismos, células lesadas ou mortas e proteínas desnaturadas. Os monócitos também
participam da resposta imune.
Os linfócitos são células com grandes núcleos e a quantidade de citoplasma (sem presença
de grânulos- exceção é a célula matadora natural) depende de seu tamanho, que varia de 6 a
20 m de diâmetro. Alguns linfócitos, denominados células B, são reconhecidos pela presença
de imunoglobulinas na sua superfície. Quando estimuladas por antígenos, as células B são
transformadas em plasmócitos que sintetizam e secretam as imunoglobulinas específicas que
atuam como anticorpos. Outros linfócitos, denominados de células T , tem entre outras
funções aquela de controlar (estimular / inibir) a transformação de linfócitos B em células
produtoras de anticorpos. Alguns linfócitos não possuem características dos linfócitos T nem
B e são descritos como células nulas. Algumas dessas células, denominadas de células
matadoras naturais, conseguem destruir alguns tipos de células tumorais, células infectadas
por vírus, células teciduais recobertas com anticorpo.
Plaquetas
As plaquetas são fragmentos citoplasmáticos anucleados de megacariócitos (grandes
células poliplóides encontradas na medula óssea). Desempenham o importante papel de
controlar o sangramento e na gênese da trombose (formação de coágulos dentro dos vasos
sanguíneos).
3. A bomba cardíaca.
O miocárdio é um tecido excitável de estrutura complexa, porque é tridimensional e
porque suas células não têm propriedades elétricas uniformes em todas as regiões do
órgão. Apesar disso, os impulsos elétricos podem espalhar-se pelo coração. A onda elétrica
propagada serve para promover a contração das fibras miocárdicas, fazendo funcionar a
eficiente bomba cardíaca. O coração é composto, na verdade, por duas bombas que se
dispõe em série: o coração direito e o coração esquerdo. O coração direito fornece energia
ao sangue para circular pelos pulmões e o esquerdo se encarrega de promover o
movimento desse fluido através da grande circulação.
A bomba cardíaca é um
sistema eletromecânico.
O ritmo cardíaco é gerado
eletricamente no nódulo sinusal, onde na sua zona central são gerados impulsos elétricos.
O acoplamento intercelular permite que elas funcionem de modo sincronizado e por esse
motivo, o potencial marcapasso é gerado simultaneamente em todas as células centrais e é
denominado de potencial de ação de membrana. Esse potencial, que não se propaga entre
as células centrais, excita as células periféricas do nódulo e se transforma num potencial
de ação propagado, de pequena velocidade (1 a 11 cm / s). Ao passar para células atriais
ele ganha amplitude e velocidade (60 cm / s), e se espalha pelas paredes atriais até alcançar
o anel valvar e o nódulo atrioventricular. Após percorrer o nódulo AV atinge o feixe de
Hess, ganha velocidade (100-200 cm /s) e, através dele, chega aos ventrículos. A passagem
pelo nódulo atrioventricular se faz de forma lenta (5 a 10 cm / s).
A ativação mecânica do coração é
sincronizada eletricamente pela ativação /
desativação dos ventrículos produzindo força de contração miocárdica efetiva para
expulsar o sangue em direção as artérias.
O potencial de ação cardíaco.
O potencial de ação do miocárdio se distingue do potencial de ação do nervo por
possuir um longo platô de despolarização que determina a sua duração (150 a 500 ms).
Esse potencial se caracteriza por possuir quatro fases: a fase 0 corresponde a
despolarização da célula; a fase 1 , uma rápida, precoce e incompleta repolarização; a fase
2 , também chamada de platô , corresponde ao tempo durante o qual a célula permanece
despolarizada e o seu potencial mantem-se quase constante; a fase 3 é a fase de
repolarização propriamente dita, pois, durante esse intervalo de tempo, a célula recupera
o nível inicial do potencial de repouso; a fase 4, finalmente, é aquela que corresponde a
diástole elétrica. Com exceção das células nodais e das fibras de Purkinje, as células
cardíacas são capazes de manter um potencial de membrana constante durante essa fase.
A figura mostra as fases do potencial de ação cardíaco.
O potencial de ação cardíaco é composto de dois componentes, que podem ser
separados e cada resposta pode propagar-se isoladamente. O componente rápido muito se
assemelha ao potencial de ação do nervo. Sua despolarização depende essencialmente da
entrada de sódio pelos canais de cinética rápida. O componente lento é um tipo de resposta
elétrica característica das células miocárdicas, apresenta uma taxa de despolarização
muito menor do que aquela do componente rápido e sua velocidade de propagação no
tecido cardíaco é pequena. Os potenciais de ação no coração apresentam formas diferentes
(tipos A, B e C), dependendo da região onde a propagação ocorre. Os potenciais do tipo A
são encontrados no miocárdio de trabalho e de condução ventricular. São caracterizados
pela presença de componente rápido bem desenvolvido que é responsável pela amplitude
do potencial de ação. Os potenciais do tipo B observados nos SA e AV, são caracterizados
por ter o componente rápido pouco desenvolvido e a amplitude desses potencias é dada
pela intensidade do componente lento. Os do tipo C não têm componente rápido e são
encontradas nas células nodais.
A condutância da membrana da célula do miocárdio varia durante a atividade elétrica
aos íons sódio, potássio e cálcio. Após um estímulo despolarizante e supralimiar a
condutância ao íon sódio aumenta cerca de 30 vezes em relação aquela do íon potássio.
Contudo, ela não se mantém elevada, devido à inativação dos canais de sódio. Durante o
platô, a membrana ainda apresenta uma permeabilidade aumentada para o sódio, que
penetra na célula pelos canais lentos. Somente com a completa repolarização é que a
condutância ao sódio retorna ao seu valor de repouso.
A condutância da membrana ao íon potássio, apresenta um comportamento diferente
daquele observado no nervo. Na célula cardíaca, a condutância da membrana reduz-se
temporariamente, em resposta a despolarização. Essa diminuição da corrente
transportada pelo potássio para fora da célula colabora para manter a célula
despolarizada. Com o passar do tempo, no entanto, a condutância ao potássio retorna ao
seu valor de repouso. Nesse instante ocorre um grande fluxo de saída de potássio, movido
gradiente eletroquímico favorável a saída desses íons. A saída do íon potássio contribui
para negativar o citoplasma, produzindo, assim, a repolarização das células.
A condutância da membrana ao íon cálcio, muito pequena no potencial de repouso,
aumenta discretamente durante o platô. Esse pequeno aumento da condutância ao íon
cálcio permite que ocorra um grande influxo desse íon, em virtude do seu elevado
gradiente de concentração (com uma alta concentração extracelular e baixa no interior da
célula).
As células marcapasso, encarregadas de promover a auto-estimulação do coração, e
portanto o seu ritmo, são caracterizadas pela variação contínua do potencial de membrana
durante a diástole elétrica (fase 4), fenômeno denominado despolarização diastólica
lenta(DDL) , que ocorre devido a uma progressiva redução da permeabilidade da
membrana ao íon potássio (ver figura). Como o efluxo de potássio diminui, o influxo lento
dos íons sódio e cálcio despolarizam lentamente a célula e conduz o potencial de
membrana até o limiar de excitação. Quanto maior for a taxa de variação da DDL maior
será a freqüência de disparo das células marcapasso. Esses potenciais são encontrados
principalmente nos nódulos e nas bordas do anel valvar e vários estudos mostraram que,
dessas células as que possuem maior freqüência intrínseca são as do nódulo AS, depois
delas em ordem decrescente estão as células do nódulo AV , feixe de His e fibras de
Purkinje.
O acoplamento excitação-contração permite o funcionamento do coração como uma
bomba eletromecânica. Esse fenômeno ocorre em várias etapas, inicia-se com o potencial
de ação cardíaco que ao se propagar pelo sarcolema do miocárdio, também se propaga
para o interior das células pelos túbulos T (invaginações das fibras cardíacas nas regiões
das linhas Z). Devido à presença desse potencial, íons cálcio podem entrar, via canais, no
interior da célula miocárdica tanto pelos túbulos T como pelo sarcolema. Esses íons cálcio
não são suficientes para induzir a contração das miofribilas, mas serve como um ativador
para liberar íons cálcio das suas reservas intracelulares , o retículo sarcoplasmáticos. A
concentração de íon cálcio livre no citosol aumenta cerca de duas a três ordens de
grandezas, durante a atividade elétrica do miocárdio, e isto permite sua ligação a
troponina C. O complexo íon cálcio- troponina interage com a tropomiosina para
desbloquear os locais ativos entre os filamentos de actina e miosina.
Essa interação
permite a contração das miofibrilas (sístole). O relaxamento das miofibrilas
(diástole) ocorre como uma conseqüência da captação do íon cálcio pelo retículo
sarcoplasmático, através da bomba de cálcio e a eliminação do íon cálcio intracelular pelo
trocador eletroneutro sódio-cálcio.
4. Hemodinâmica
O problema de tratar o fluxo sanguíneo, ao longo do sistema circulatório, em termos
formais (matemáticos) precisos é muito difícil. O coração é uma bomba bastante complexa e
seu comportamento é influenciado por inúmeros fatores físico-químicos. Os vasos sanguíneos
são condutos elásticos auto-reguláveis
e com múltiplas ramificações. O sangue é uma
suspensão de glóbulos vermelhos e brancos, de plaquetas e de glóbulos lipídicos suspensos em
solução coloidal de proteínas. Apesar desses fatores complicadores, pode-se obter considerável
compreensão do seu funcionamento através do entendimento dos princípios básicos da
mecânica dos líquidos ou hidrodinâmica.
Velocidade da corrente sanguínea
A velocidade (V) de um líquido num conduto de área de secção transversal A quando
sujeito a um fluxo estacionário J , é dado pela seguinte expressão:
V= J / A
A velocidade de um líquido em qualquer ponto de um conduto depende do fluxo e da
área da secção transversal da via de condução.
O fluxo depende do gradiente de pressão, das propriedades do líquido circulante e das
dimensões de todo sistema hidráulico.
A velocidade de um líquido ao passar por um tubo de área de secção transversal variável
varia inversamente com a área da secção transversa. Isto ocorre para manter o fluxo
constante. Esta regra é válida independente do aumento de área de secção transversal ocorrer
devido ao aumento do diâmetro de único tubo ou pela presença de vários tubos menores em
paralelo.
No sistema circulatório a velocidade do sangue diminui progressivamente quando o
sangue flui da aorta pelas artérias e arteríolas até atingir um valor mínimo nos capilares.
Observe que apesar de individualmente os capilares terem menor secção transversal, devido
ao grande número dessas vias, a área da secção transversal do conjunto de vias aumenta e
portanto a velocidade do sangue diminui. Quando o sangue passa pelas vênulas em direção a
veia cava, a velocidade novamente aumenta progressivamente. Desta forma, é possível
explicar o comportamento do fluxo sanguíneo fazendo uso da dinâmica dos fluidos. É óbvio
que esta abordagem é muito simplista e não visa explicar processos reguladores do fluxo
sanguíneo.
Relação entre pressão e velocidade
Numa região de um sistema hidráulico onde a energia total permaneça praticamente
constante, a pressão depende da velocidade, como segue:
Pd =  V2 / 2,
onde  é a densidade do líquido e V a sua velocidade. A pressão P d na expressão acima se
refere ao componente dinâmico da pressão total. A pressão total num local do interior de um
conduto por onde flui um líquido é a soma da pressão lateral ou estática mais um componente
de pressão associado à energia cinética do líquido que flui (componente dinâmico).
Considere um tubo mais estreito na região central e de um mesmo diâmetro maior nas
regiões laterais. Se forem introduzidos, perpendicularmente as suas paredes, nas três regiões
tubos de Pitot (sondas para medir pressão) até atingirem o mesmo nível do tubo, as mesmas
pressões serão registradas nas duas regiões laterais e uma pressão menor será observada na
região central. No entanto, se a pressão estiver sendo registrada com as extremidades dos
tubos de Pitot colocados paralelamente as paredes do tubo (considerando-se a perda de
energia devido a viscosidade negligenciável) as pressões nas três regiões serão iguais.
Portanto, na região mais estreita o componente dinâmico da pressão ( V2 / 2), deve ser maior
que nas regiões laterais. Desta forma, quanto maior a velocidade do fluído circulante maior a
pressão dinâmica no interior do tubo.
A pressão medida pode variar significativamente, dependendo da orientação da sonda de
pressão. Na aorta torácica descendente, a velocidade máxima é aproximadamente metade
daquela na aorta ascendente e velocidades menores ainda podem ser registradas nas regiões
arteriais mais distais. Desta forma, a pressão dinâmica varia nessas diferentes regiões da
circulação sanguínea. Nas diferentes regiões arteriais, os componentes dinâmicos das pressões
são desprezíveis e nesse caso a orientação da sonda de pressão não influenciará a pressão
registrada. No caso de uma constrição, o componente da pressão dinâmica pode atingir
valores substanciais.
Relação entre pressão e fluxo
A pressão P a uma distância de h abaixo da superfície de um líquido é
P = gh
onde  é a densidade do líquido, considerado aqui homogêneo, e g é aceleração da gravidade.
Para qualquer que seja a diferença de pressão entre as duas extremidades de um tubo, o
fluxo dependerá das dimensões do tubo. A lei que governam o fluxo de líquidos por tubos
cilíndricos, foi derivada empiricamente, há mais de um século, por Poisseuille, um médico
francês. As suas observações recebem o nome de leis de Poisseuille. Esses estudos de
Poisseuille, basicamente mostraram que:
1. O fluxo é diretamente proporcional a diferença de pressão entre dois pontos do tubo onde
o líquido flui ou seja : J  - P.
2. O fluxo é inversamente proporcional ao comprimento do tubo, ou seja:
J  1/ L, onde L é o comprimento do tubo.
4.
O fluxo é diretamente proporcional a quarta potência do raio do tubo, ou
formalmente: J  R 4 , onde R é o raio do tubo.
5. O fluxo de um líquido homogêneo num tubo cilíndrico varia inversamente com a sua
viscosidade .
Em resumo, a lei de poisseuille estabelece que um fluxo laminar, contínuo de um
líquido newtoniano por um tubo cilíndrico, relaciona-se com a diferença de pressão e a
geometria do tubo e a viscosidade do líquido através da seguinte expressão:
J = - P R 4 / 8  L, onde  / 8 é uma constante de proporcionalidade.
O termo fluxo contínuo significa que o fluxo não varia no tempo.
Fluxo laminar refere-se a um tipo de movimento no qual o líquido se move como uma
série de camadas individuais, cada camada se movendo com velocidade diferente de suas
camadas vizinhas. No caso do fluxo laminar no interior de um tubo, o líquido flui como se
fosse tubos concêntricos com paredes infinitesimalmente finas deslizando uns sobre os
outros.
Líquidos newtonianos são líquidos homogêneos e não-newtonianos são líquidos nãohomogêneos (como o sangue).
É interessante observar que a aplicação da lei de Poisseuille ao fluxo sanguíneo é
simplesmente um modelo aproximado da realidade, uma vez que o sangue é um líquido
não-newtoniano e o seu fluxo nem sempre é contínuo e, também, considerar-se o fluxo
sanguíneo laminar é uma aproximação bastante grosseira.
Resistência ao fluxo
A resistência hidráulica é definida pela razão entre a queda de pressão e o valor
fluxo, ou seja:
R = (Pi – Pe ) / J
Para um fluxo laminar, contínuo, de um líquido newtoniano por um tubo cilíndrico,
a lei de Poisseuille pode ser aplicada e neste caso a resistência pode ser expressa em
função da viscosidade do líquido e da geometria do tubo, como segue:
R = 8 L /  r 4.
Portanto, quando se aplica a lei de Poisseuille, resistência hidráulica ao fluxo
depende apenas das dimensões do tubo e das características do líquido.
O
principal determinante da resistência ao fluxo sanguíneo por qualquer vaso
individual, no sistema circulatório, é o seu calibre. A resistência ao fluxo sanguíneo nos
pequenos vasos do mesentério do gato foi medida. A resistência é maior nos capilares e
diminui quando os vasos aumentam de diâmetro nas partes arteriais e venosas. Os valores
de R / L são, aproximadamente, inversamente proporcionais a quarta potência do
diâmetro para os vasos maiores nos dois lados dos capilares. É interessante notar que a lei
de Poisseuille descreve bem o comportamento da resistência ao fluxo sanguíneo oferecidas
pelos vasos do sistema circulatório. Alterações das resistências vasculares, provocadas por
estímulos naturais, ocorrem por variações de seus raios. Essas alterações são obtidas pelo
grau de contração das células musculares lisas que circulam as paredes dos vasos. As
alterações da pressão interna também alteram a resistência ao fluxo sanguíneo por esses
vasos.
Resistências hidráulicas em série e em paralelo
Resistências em série: a característica de resistências hidráulicas associadas em série
é que o fluxo deve ser o mesmo em qualquer um dos componentes do sistema e a soma das
quedas de pressão de cada componente do sistema deve ser igual a queda total de pressão
no sistema. Desta forma, a resistência total (R t) deve ser igual a soma de cada resistência
que compõe o sistema. Se o sistema é constituído por três resistências hidráulicas R 1, R2 e
R3 , então Rt = R1 + R2 + R3.
A demonstração da afirmativa acima é bastante simples. Sabe-se que a queda total de
pressão é igual a soma das quedas de pressão de cada componente do sistema:
Pi –Pe = (Pi - P1 ) + (P1 – P2 ) + ( P2 – Pe) (1)
Dividindo-se a expressão (1) pelo fluxo, obtém-se:
( Pi –Pe ) / J = (Pi - P1 ) / J + (P1 – P2 ) / J + ( P2 – Pe) / J .
Portanto Rt = R1 + R2 + R3.
Resistências em paralelo: o que caracteriza resistências hidráulicas em paralelo é que
a queda de pressão é a mesma em todos os tubos e o fluxo total é igual a soma dos fluxos
individuais. Como base nessas características pode-se mostrar que:
1/Rt = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3.
Fluxo turbilhonar
O fluxo laminar como definido anteriormente, é caracterizado pelo movimento do
líquido em camadas individuais, onde cada camada se move com velocidade diferente de
suas camadas vizinhas. No caso do fluxo laminar no interior de um tubo, o líquido flui
como se fosse tubos concêntricos com paredes infinitesimalmente finas deslizando uns
sobre os outros.
O fluxo turbilhonar é caracterizado pelos movimentos irregulares do líquido. Nesse
caso, o líquido não permanece se movendo restrito as diferentes lâminas, porém ao
contrário ocorre uma rápida mistura radial desse líquido. É necessária uma pressão muito
maior para fazer fluir um líquido em condição de turbilhonamento que numa condição
laminar.
O número de Reynold ( NR) permite prever se haverá fluxo turbilhonar ou laminar
num tubo sob determinadas condições. Esse número que está relacionado com a presença
de forças inerciais e viscosas no fluido é calculado pela seguinte expressão:
NR =  D Vm / , onde D é o diâmetro do tubo , Vm é a velocidade média,  é a
densidade e  é a viscosidade do líquido.
Para NR < 2000, o fluxo será em geral laminar e para NR > 3000 haverá geralmente
turbilhonamento. Na faixa de transição haver desenvolvimento de várias condições
intermediárias.É interessante observar que grandes diâmetros e baixas viscosidades
predispõem ao desenvolvimento de turbilhonamento.
No sistema cardiovascular o fluxo turbilhonar pode ser detectado por um som
(sopro) e são usados na clínica. Na anemia grave, os sopros cardíacos funcionais (não
causados por anormalidades estruturais) são freqüentemente detectáveis. A base física
para esses sopros reside diminuição da viscosidade sanguínea causada pelo baixo conteúdo
de hemácias e nas altas velocidades do fluxo associadas ao aumento significativo do débito
cardíaco, que geralmente ocorre nos pacientes anêmicos.