3.2: Sistemas circulatorios

Objetivos de aprendizaje

• Comparar y contrastar diferentes sistemas circulatorios utilizando ejemplos específicos de animales y evolución.

El sistema circulatorio

El sistema circulatorio es una red de vasos —las arterias, las venas y los capilares— y una bomba, el corazón. En todos los organismos vertebrados se trata de un sistema de bucle cerrado, en el que la sangre se separa en gran medida del otro compartimento del fluido extracelular del cuerpo, el líquido intersticial, que es el líquido que baña las células. La sangre circula dentro de los vasos sanguíneos y circula unidireccionalmente desde el corazón alrededor de una de las dos vías circulatorias, luego vuelve nuevamente al corazón; este es un sistema circulatorio cerrado. Los sistemas circulatorios abiertos se encuentran en animales invertebrados en los que el líquido circulatorio baña los órganos internos directamente a pesar de que puede moverse con un corazón bombeando.

El corazón

El corazón es un músculo complejo que consta de dos bombas: una que bombea sangre a través de la circulación pulmonar a los pulmones, y la otra que bombea sangre a través de la circulación sistémica al resto de los tejidos del cuerpo (y al corazón mismo).

El corazón es asimétrico, siendo el lado izquierdo más grande que el derecho, correlacionándose con los diferentes tamaños de los circuitos pulmonar y sistémico (Figura 3.4). En los humanos, el corazón es aproximadamente del tamaño de un puño cerrado; se divide en cuatro cámaras: dos aurículas y dos ventrículos. Hay una aurícula y un ventrículo en el lado derecho y una aurícula y un ventrículo en el lado izquierdo. La aurícula derecha recibe sangre desoxigenada de la circulación sistémica a través de las venas principales: la vena cava superior, que drena sangre de la cabeza y de las venas que provienen de los brazos, así como la vena cava inferior, que drena sangre de las venas que provienen de los órganos inferiores y las piernas . Esta sangre desoxigenada pasa luego al ventrículo derecho a través de la válvula tricúspide, lo que impide el reflujo de la sangre. Después de llenarlo, el ventrículo derecho se contrae, bombeando la sangre a los pulmones para su reoxigenación. La aurícula izquierda recibe la sangre rica en oxígeno de los pulmones. Esta sangre pasa a través de la válvula bicúspide hasta el ventrículo izquierdo donde se bombea la sangre hacia la aorta. La aorta es la arteria principal del cuerpo, llevando sangre oxigenada a los órganos y músculos del cuerpo. Este patrón de bombeo se conoce como doble circulación y se encuentra en todos los mamíferos. (Figura 3.4).

Figura 3.4. El corazón se divide en cuatro cámaras, dos aurículas y dos ventrículos. Cada cámara está separada por válvulas unidireccionales. El lado derecho del corazón recibe sangre desoxigenada del cuerpo y la bombea a los pulmones. El lado izquierdo del corazón bombea sangre al resto del cuerpo.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre el sistema circulatorio es falsa?
a. La sangre en la vena pulmonar está desoxigenada.
b. La sangre en la vena cava inferior está desoxigenada.
c. La sangre en la arteria pulmonar está desoxigenada.
d. La sangre en la aorta está oxigenada.

Vasos sanguíneos

La sangre del corazón es transportada a través del cuerpo por una compleja red de vasos sanguíneos (Figura 3.5). Las arterias quitan la sangre del corazón. La arteria principal de la circulación sistémica es la aorta; se ramifica en arterias principales que llevan sangre a diferentes extremidades y órganos. La aorta y las arterias cercanas al corazón tienen paredes pesadas pero elásticas que responden y suavizan las diferencias de presión causadas por el corazón latiente. Las arterias más alejadas del corazón tienen más tejido muscular en sus paredes que pueden contraerse para afectar los caudales de la sangre. Las arterias principales divergen en arterias menores, y luego vasos más pequeños llamados arteriolas, para llegar más profundamente a los músculos y órganos del cuerpo.

Las arteriolas divergen en lechos capilares. Los lechos capilares contienen un gran número, de 10 a 100 de capilares que se ramifican entre las células del cuerpo. Los capilares son tubos de diámetro estrecho que pueden adaptarse a glóbulos rojos individuales y son los sitios para el intercambio de nutrientes, desechos y oxígeno con tejidos a nivel celular. El líquido también se filtra de la sangre al espacio intersticial desde los capilares. Los capilares convergen nuevamente en vénulas que se conectan a venas menores que finalmente se conectan a venas mayores. Las venas son vasos sanguíneos que traen sangre alta en dióxido de carbono de regreso al corazón. Las venas no tienen paredes tan gruesas como las arterias, ya que la presión es menor, y tienen válvulas a lo largo de su longitud que evitan el reflujo de la sangre lejos del corazón. Las venas principales drenan la sangre de los mismos órganos y extremidades que suministran las arterias principales.

Figura 3.5. Las arterias del cuerpo, indicadas en rojo, comienzan en el arco aórtico y se ramifican para abastecer a los órganos y músculos del cuerpo con sangre oxigenada. Las venas del cuerpo, indicadas en azul, devuelven la sangre al corazón. Las arterias pulmonares son azules para reflejar el hecho de que están desoxigenadas, y las venas pulmonares son rojas para reflejar que están oxigenadas. (crédito: modificación de obra de Mariana Ruiz Villareal)

El flujo sanguíneo se refiere al movimiento de la sangre a través de un vaso, tejido u órgano, y generalmente se expresa en términos de volumen de sangre por unidad de tiempo. Se inicia por la contracción de los ventrículos del corazón. La contracción ventricular expulsa sangre hacia las arterias principales, dando como resultado el flujo de regiones de mayor presión a regiones de menor presión, ya que la sangre encuentra arterias y arteriolas más pequeñas, luego capilares, luego las vénulas y venas del sistema venoso. Esta sección analiza una serie de variables críticas que contribuyen al flujo sanguíneo por todo el cuerpo. También se discuten los factores que impiden o ralentizan el flujo sanguíneo, fenómeno conocido como resistencia.

Como se señaló anteriormente, la presión hidrostática es la fuerza ejercida por un fluido debido a la tracción gravitacional, generalmente contra la pared del contenedor en el que se encuentra. Una forma de presión hidrostática es la presión arterial, la fuerza ejercida por la sangre sobre las paredes de los vasos sanguíneos o las cámaras del corazón. La presión arterial puede medirse en capilares y venas, así como en los vasos de la circulación pulmonar; sin embargo, el término presión arterial sin ningún descriptor específico generalmente se refiere a la presión arterial sistémica, es decir, la presión de la sangre que fluye en las arterias de la circulación sistémica. En la práctica clínica, esta presión se mide en mm Hg y generalmente se obtiene utilizando la arteria braquial del brazo.

Variables que afectan el flujo sanguíneo y la presión arterial

Cinco variables influyen en el flujo sanguíneo y la presión arterial:

• Gasto cardiaco
• Cumplimiento
• Volumen de la sangre
• Viscosidad de la sangre
• Longitud y diámetro de los vasos sanguíneos

Recordemos que la sangre pasa de una presión más alta a una presión más baja. Se bombea desde el corazón hacia las arterias a alta presión. Si aumenta la presión en las arterias (poscarga), y la función cardíaca no compensa, el flujo sanguíneo en realidad disminuirá. En el sistema venoso, la relación opuesta es cierta. El aumento de la presión en las venas no disminuye el flujo como lo hace en las arterias, sino que en realidad aumenta el flujo. Dado que la presión en las venas normalmente es relativamente baja, para que la sangre vuelva al corazón, la presión en las aurículas durante la diástole auricular debe ser aún menor. Normalmente se acerca a cero, excepto cuando las aurículas se contraen (ver Figura 3.4).

Gasto cardiaco

El gasto cardíaco es la medición del flujo sanguíneo desde el corazón a través de los ventrículos, y generalmente se mide en litros por minuto. Cualquier factor que haga que el gasto cardíaco aumente, al elevar la frecuencia cardíaca o el volumen de los accidentes cerebrovasculares o ambos, elevará la presión arterial y promoverá el flujo sanguíneo. Estos factores incluyen la estimulación simpática, las catecolaminas epinefrina y norepinefrina, las hormonas tiroideas y el aumento de los niveles de iones de calcio. Por el contrario, cualquier factor que disminuya el gasto cardiaco, al disminuir la frecuencia cardíaca o el volumen del ictus o ambos, disminuirá la presión arterial y el flujo sanguíneo Estos factores incluyen estimulación parasimpática, niveles elevados o disminuidos de iones de potasio, disminución de los niveles de calcio, anoxia y acidosis.

Cumplimiento

El cumplimiento es la capacidad de cualquier compartimento para expandirse para acomodar un mayor contenido. Un tubo de metal, por ejemplo, no es compatible, mientras que un globo sí lo es. Cuanto mayor sea la distensibilidad de una arteria, más efectivamente es capaz de expandirse para acomodar sobretensiones en el flujo sanguíneo sin mayor resistencia o presión arterial. Las venas son más conformes que las arterias y pueden expandirse para contener más sangre. Cuando la enfermedad vascular causa rigidez de las arterias, se reduce el cumplimiento y aumenta la resistencia al flujo sanguíneo. El resultado es más turbulencia, mayor presión dentro del vaso y menor flujo sanguíneo. Esto aumenta el trabajo del corazón.

Una aproximación matemática a los factores que afectan el flujo sanguíneo

Jean Louis Marie Poiseuille fue un médico y fisiólogo francés que ideó una ecuación matemática que describe el flujo sanguíneo y su relación con parámetros conocidos. La misma ecuación también se aplica a los estudios de ingeniería del flujo de fluidos. Aunque entender las matemáticas detrás de las relaciones entre los factores que afectan el flujo sanguíneo no es necesario para entender el flujo sanguíneo, puede ayudar a solidificar una comprensión de sus relaciones. Tenga en cuenta que aunque la ecuación parezca intimidante, dividirla en sus componentes y seguir las relaciones hará que estas relaciones sean más claras, incluso si eres débil en matemáticas. Enfoque en las tres variables críticas: radio (r), longitud del recipiente (λ) y viscosidad (η).

La ecuación de Poiseuille:

Flujo sanguíneo = π ΔP r ⁴ 8ηλFlujo sanguíneo = π ΔP r ⁴ 8ηλ

• π es la letra griega pi, utilizada para representar la constante matemática que es la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro. Comúnmente puede representarse como 3.14, aunque el número real se extiende hasta el infinito.
• ΔP representa la diferencia de presión.
• r ⁴ es el radio (la mitad del diámetro) de la embarcación a la cuarta potencia.
• η es la letra griega eta y representa la viscosidad de la sangre.
• λ es la letra griega lambda y representa la longitud de un vaso sanguíneo.

Una de varias cosas que esta ecuación nos permite hacer es calcular la resistencia en el sistema vascular. Normalmente este valor es extremadamente difícil de medir, pero se puede calcular a partir de esta relación conocida:

Flujo sanguíneo = ΔPresistanciaFlujo sanguíneo = ΔPresistencia

Si reorganizamos esto ligeramente,

Resistencia = ΔPFlujo Sanguíneo Resistencia = ΔPFlujo sanguíneo

Luego, sustituyendo la ecuación de Pouseille por el flujo sanguíneo:

Resistencia =8ηλπr ⁴ Resistencia =8ηλπr ⁴

Al examinar esta ecuación, se puede ver que solo hay tres variables: viscosidad, longitud del recipiente y radio, ya que 8 y π son ambas constantes. Lo importante a recordar es esto: Dos de estas variables, la viscosidad y la longitud del vaso, cambiarán lentamente en el cuerpo. Solo uno de estos factores, el radio, puede ser cambiado rápidamente por vasoconstricción y vasodilatación, impactando así dramáticamente la resistencia y el flujo. Además, pequeños cambios en el radio afectarán en gran medida el flujo, ya que se eleva a la cuarta potencia en la ecuación.

Hemos considerado brevemente cómo el gasto cardíaco y el volumen sanguíneo impactan el flujo sanguíneo y la presión; el siguiente paso es ver cómo las otras variables (contracción, longitud de los vasos y viscosidad) se articulan con la ecuación de Pouseille y qué pueden enseñarnos sobre el impacto en el flujo sanguíneo.

Volumen de sangre

La relación entre el volumen sanguíneo, la presión arterial y el flujo sanguíneo es intuitivamente obvia. El agua puede simplemente gotear a lo largo del lecho de un arroyo en una estación seca, pero precipitarse rápidamente y bajo una gran presión después de una fuerte lluvia. De igual manera, a medida que disminuye el volumen sanguíneo, la presión y el flujo disminuyen A medida que aumenta el volumen sanguíneo, la presión y el flujo aumentan.

En circunstancias normales, el volumen sanguíneo varía poco. El bajo volumen sanguíneo, llamado hipovolemia, puede ser causado por sangrado, deshidratación, vómitos, quemaduras graves o algunos medicamentos utilizados para tratar la hipertensión. Es importante reconocer que otros mecanismos reguladores en el organismo son tan efectivos para mantener la presión arterial que un individuo puede estar asintomático hasta que se haya perdido 10-20 por ciento del volumen sanguíneo. El tratamiento típicamente incluye reemplazo de líquido intravenoso.

La hipervolemia, volumen excesivo de líquidos, puede ser causada por la retención de agua y sodio, como se observa en pacientes con insuficiencia cardíaca, cirrosis hepática, algunas formas de enfermedad renal, hiperaldosteronismo y algunos tratamientos con esteroides glucocorticoides. La restauración de la homeostasis en estos pacientes depende de revertir el padecimiento que desencadenó la hipervolemia.

Viscosidad de sangre

La viscosidad es el grosor de los fluidos que afecta su capacidad de fluir. El agua limpia, por ejemplo, es menos viscosa que el barro. La viscosidad de la sangre es directamente proporcional a la resistencia e inversamente proporcional al flujo; por lo tanto, cualquier condición que haga que la viscosidad aumente también aumentará la resistencia y disminuirá el flujo. Por ejemplo, imagínese tomando leche, luego un batido, a través de una pajita del mismo tamaño. Experimentas más resistencia y por lo tanto menos flujo del batido. Por el contrario, cualquier condición que haga que la viscosidad disminuya (como cuando el batido se derrite) disminuirá la resistencia y aumentará el flujo.

Normalmente la viscosidad de la sangre no cambia en cortos periodos de tiempo. Los dos determinantes primarios de la viscosidad de la sangre son los elementos formados y las proteínas plasmáticas. Dado que la gran mayoría de los elementos formados son eritrocitos, cualquier condición que afecte a la eritropoyesis, como policitemia o anemia, puede alterar la viscosidad. Dado que la mayoría de las proteínas plasmáticas son producidas por el hígado, cualquier afección que afecte la función hepática también puede cambiar ligeramente la viscosidad y por lo tanto alterar el flujo sanguíneo. Las anomalías hepáticas como hepatitis, cirrosis, daño por alcohol y toxicidades por drogas resultan en niveles disminuidos de proteínas plasmáticas, lo que disminuye la viscosidad de la sangre. Si bien los leucocitos y las plaquetas son normalmente un pequeño componente de los elementos formados, hay algunas condiciones raras en las que la sobreproducción severa también puede afectar la viscosidad.

Longitud y diámetro del recipiente

La longitud de un recipiente es directamente proporcional a su resistencia: cuanto más larga es la vasija, mayor es la resistencia y menor es el flujo. Al igual que con el volumen sanguíneo, esto tiene sentido intuitivo, ya que el aumento de la superficie del vaso impedirá el flujo de sangre. De igual manera, si se acorta el recipiente, la resistencia disminuirá y el flujo aumentará.

La longitud de nuestros vasos sanguíneos aumenta a lo largo de la infancia a medida que crecemos, por supuesto, pero es inmutable en adultos en circunstancias fisiológicas normales. Además, la distribución de los vasos no es la misma en todos los tejidos. El tejido adiposo no tiene un suministro vascular extenso. Una libra de tejido adiposo contiene aproximadamente 200 millas de vasos, mientras que el músculo esquelético contiene más del doble de eso. En general, los vasos disminuyen de longitud solo durante la pérdida de masa o amputación. Un individuo que pesa 150 libras tiene aproximadamente 60,000 millas de vasos en el cuerpo. Ganar alrededor de 10 libras agrega de 2000 a 4000 millas de vasos, dependiendo de la naturaleza del tejido ganado. Uno de los grandes beneficios de la reducción de peso es la reducción del estrés al corazón, que no tiene que superar la resistencia de tantos kilómetros de vasos.

A diferencia de la longitud, el diámetro de los vasos sanguíneos cambia en todo el cuerpo, según el tipo de vaso, como ya comentamos anteriormente. El diámetro de cualquier vaso también puede cambiar frecuentemente a lo largo del día en respuesta a señales neurales y químicas que desencadenan vasodilatación y vasoconstricción. El tono vascular del vaso es el estado contráctil del músculo liso y el determinante primario de diámetro, y por lo tanto de resistencia y flujo. El efecto del diámetro del vaso sobre la resistencia es inverso: Dado el mismo volumen de sangre, un mayor diámetro significa que hay menos sangre en contacto con la pared del vaso, por lo tanto menor fricción y menor resistencia, aumentando posteriormente el flujo. Un diámetro disminuido significa que más sangre entra en contacto con la pared del vaso, y la resistencia aumenta, disminuyendo posteriormente el flujo.

La influencia del diámetro del lumen en la resistencia es dramática: Un ligero aumento o disminución en el diámetro provoca una enorme disminución o aumento de la resistencia. Esto se debe a que la resistencia es inversamente proporcional al radio del vaso sanguíneo (la mitad del diámetro del vaso) elevado a la cuarta potencia (R = 1/r ⁴). Esto significa, por ejemplo, que si una arteria o arteriola se contrae hasta la mitad de su radio original, la resistencia al flujo aumentará 16 veces. Y si una arteria o arteriola se dilata al doble de su radio inicial, entonces la resistencia en el vaso disminuirá a 1/16 de su valor original y el flujo aumentará 16 veces.

El papel del diámetro de los vasos y el área total en el flujo sanguíneo y la presión arterial

Recordemos que clasificamos las arteriolas como vasos de resistencia, porque dada su pequeña luz, ralentizan drásticamente el flujo de sangre de las arterias. De hecho, las arteriolas son el sitio de mayor resistencia en toda la red vascular. Esto puede parecer sorprendente, dado que los capilares tienen un tamaño menor. ¿Cómo se puede explicar este fenómeno?

La Figura 3.6 compara el diámetro de los vasos, el área transversal total, la presión arterial promedio y la velocidad sanguínea a través de los vasos sistémicos. Observe en las partes (a) y (b) que el área transversal total de los lechos capilares del cuerpo es mucho mayor que cualquier otro tipo de vaso. Aunque el diámetro de un capilar individual es significativamente menor que el diámetro de una arteriola, hay muchísimo más capilares en el cuerpo que otros tipos de vasos sanguíneos. La parte (c) muestra que la presión arterial disminuye de manera desigual a medida que la sangre viaja de las arterias a las arteriolas, capilares, vénulas y venas, y encuentra mayor resistencia. Sin embargo, el sitio de la caída más precipitada, y el sitio de mayor resistencia, son las arteriolas. Esto explica por qué la vasodilatación y la vasoconstricción de las arteriolas juegan un papel más significativo en la regulación de la presión arterial que la vasodilatación y vasoconstricción de otros vasos.

La parte (d) muestra que la velocidad (velocidad) del flujo sanguíneo disminuye drásticamente a medida que la sangre se mueve de arterias a arteriolas y capilares. Esta velocidad de flujo lenta permite más tiempo para que ocurran los procesos de intercambio. A medida que la sangre fluye por las venas, la tasa de velocidad aumenta, a medida que la sangre regresa al corazón.

Figura 3.6. Las relaciones entre los vasos sanguíneos que se pueden comparar incluyen (a) el diámetro de los vasos, (b) el área transversal total, (c) la presión arterial promedio y (d) la velocidad del flujo sanguíneo.

Ejercicio\(\PageIndex{1}\)

¿Dónde fluiría sería el tubo más rápido, estrecho o ancho? ¿Por qué?

Ejercicio\(\PageIndex{2}\)

¿Cómo es esto relevante para el transporte de sangre a través de un cuerpo vertebrado?

Ejercicio\(\PageIndex{3}\)

¿Cómo le bombea sangre la jirafa a la cabeza?