PHYSIOLOGY OF CARDIOVASCULAR SYSTEM

PHYSIOLOGY OF CARDIOVASCULAR SYSTEM 

Physiology of the Heart 

 
Heart rate  = 70/min, 100 000/day,  5 1/min, 4 500 l/day 

 
Morphology of the heart: 

2 separate pumps – right/left 
Each – from 2 pumps – atria/vetricle 
 
Endocardium 
Myocardium – heart muscle 
Pericardium 
 
Histology: 
Arrangement of the cardiac muscle fibers (lattice-work) 
Cardiac  muscle – sui generis – 
                                                - striated as skeletal muscle 
                                                - syncytium – as smooth muscle 
 
Cells – cylindric, length 50-100 µm , thickness 10-20 microns, intercalated discs (mechanical + 
electrical connection = functional syncytium). 

Physiological Properties of the Heart 

1) Automatic (autonomic) function 

2) Conductivity 

3) Excitability 

4) Contractility 

5) Rhytmicity 

1) Automatic Function 

= ability to work also after an isolation 
Principle - existence of primary centre of automatic function – the sino-atrial node – special 
excitatory system of the heart 
 Necessity to fulfil some condition (temperature, humidity, supply – O

2

, energ. substances, 

transport away- metabolites...) 
 

2) Conductivity 

 
The special conductive system of the heart: 

 
SA node

 – Keith-Flack´s node (1907) – pacemaker 

3 mm wide, 1 cm long – in the posterior wall of the right atrium (at the junction of v. cava sup. 
with RA). The fibers are only 3-5 microns in diameter. 
 
 

In 

atria

 – conductive tissue – atrial muscle cells. Velocity – 1 m/s 

     + 3 bundles of atrial fibers conducting SA-AV node imp. 

Internodal tracts of:  1. Bachman 
 

2. Wenckebacnh 

3. Thorel 

AV node

 – the atrioventricular node. Conduction in AV node (secondary centre of automatic 

function) is slow – delay of  0.1 s), velocity of conduction 20 mm/s.  
Principle:  Existence of junctional fibers and transitional fibers.  Principle of a convergence ansd 
divergence. Reverberation circuits. 
 Physiological role: It allows time for the atria to empty their contents into the ventricles before 
ventricle contraction begins.  
 

His bundle

 (v- 4-5 m/s), 

right/left bundle branches, Purkinje system 

Very large fibers. This allows quick - immediate transmission of the cardiac impulse throughout 
the entire ventricular system. 
Excitation of the myocardium from endocardium to epicardium. 
 

3) The excitability 

= ability to react to a stimulus 
 
Phases: 
1. Normal 
2. Absolute refractory period 
3. Relative refractory period 
4. Supranormal excitability 
 
Refractory phases – condition for alternation systole – diastole – against  tetanization 
 
Extrasystoles         - interpolated 

-

compensated 

Vulnerable period – just at the end of the action potential, because stimulation  at this time will 
sometimes initiate flutter or fibrillation. 
 
Flutter/fibrillation        -  atrial 
 

              - ventricular – fatal 

Defibrillation – defibrillator – 5-7 kV 

 
4) The contractility 

= ability of the myocardial fibres to contract 
Myosin – actin filaments 
Tropomyosin, troponin 
 
Excitation – Contraction Coupling: 
Depolarization - electrical charges, T-tubules, release of calcium ions from the longitudinal 
sarcoplasmatic reticulum – to promote sliding of the actin and myosin filaments along each other 
– muscle contraction 
 
 
 

All or Nothing Principle of the Heart 

= stimulation of any single atrial muscle fiber causes the action  potential in entire atrial muscle 
mass. The same in ventricles. 
Syncytial nature of cardiac muscle. 
 

5) The Rhythmicity 

= regular alternation of contraction and relaxation 
 
HR – reflects metabolic rate/weight 
          birds 800/min 
          mice 500 
   

       men 70 

          elephant 25-30 
          whale 10/min 
 

Required conditions for the heart activity 

1) 

Temperature

 - optimal for humans 37º  

        - lower: decreasing of activity 

-

higher: increasing of activity + metabolic needs 

2) 

Metabolism

 of the heart:  

Aerobic

 – without possibility to cover energy demands of anaerobic pathway (only 1% of the 

total energy is provided by anaerobic metabolism).Lack of  the O

2

 debt. 

Sources of energy

 for heart: Lactate, pyruvate, fat, FFA, AA, ketones. 

                               
 3) 

Oxygen consumption:

  10 ml/100 g/min, 35 ml/350 g/min = 10% of total O

2   

consumption (250 ml/min). During physical work, 5x more 

 
4) 

Isoionia:

       Isoionic – environment (including perfusion fluid) 
       

Balance

 between: Calcium and potassium 

        During Ca abundance – 

rigor

        During K abundance   - 

inhibition 

 
5) 

pH:

 acidosis inhibition of the heart activity – heart 

            stops in diastole 
            alkalosis – heart stops in systole – rigor 

The Cardiac Cycle 

- the period from the end of one cardiac systole to the end of the next heart contraction. 

1) Electrical cycle – depolarisation/repolarisation 
2) Mechanical cycle – contraction/relaxation of cardiac muscle 

 
Periods of the cardiac cycle 

 
1) Filling of the atria – during diastole =  venous return 

Mechanisms of the filling: 
a) „Vis a tergo“ – residual energy from the left ventricle 
b) „Negative“ intrathoracic (interpleural) pressure: 
 
Quiet breathing:  
- expiration: P

pl

 = -2.5 mm Hg (relative to atmospheric)  

- inspiration: -6 mm Hg during = thoracic pump. 
 
Pressure is transmitted to the great veins and atria – aids venous return. 
The movement of diaphragm – rise of P

abd.

 
c) Shifting down of the A-V ring by contraction of ventricles „vis a fronte“. 
d) Gravity – from head and vessels above cardiac level 
e) Muscular pump 
 

Filling of the ventricles 

Accumulation of blood in the atria – elevated atrial pressure - decrease of ventricular pressure to 
diastolic value (near Ø) → pressure in the atria push open the A-V valves – blood flows 
into the ventricles 
 
1) Period of rapid filling (first 1/3 of the diastolic time) 
2) Period of slow filling – diastasis (next 1/3) 
3) Atrial systoly (last 1/3) + 20-30 % of the filling of the ventricles 
 

Ventricular systole 

1) Period of isovolumic .- isometric contraction 
At the start of ventricular contraction, the ventricular pressure  rises – causing the A-V valves to 
close. Also semilunar valves are closed – during first about 0.05 s – until the pressures in LV  
and RV  and RV exceed the pressures in the aorta and pulmonary artery – opening of the 
semilunar valves →  
2) Period of ventricular ejection 
    a) Phase  of the rapid ejection (1/2   of V is ejected in the first ¼ of  the ventricular systole)   
    b) Phase of the slow ejection (remaining ½  of V-during next 2/4 of the ventricular systole) 
3) Protodiastole (last ¼  of the ventricular systole) 
    The ventricular pressure ralls to a value below that in aorta, closing of the semilunar valves  
      – early diastole. 
 

Ventricular diastole 

1) Period  of isovolumic (isometric) relaxation – the valves are closed,V pressures continues  
     to drop 
2) Filling of the ventricles: 
   Period of the rapid ventricular filling – when the ventricular pressure falls below atrial pressure 
and the AV valves open .……….a new cycle. 
 
HR =  72/min – 1 cycle lasts 0.83 s. 
Length of Systole/Diastole 
HR – 65/min:   S  -  0.3 s 
                         D  -  0.6 s  

1 : 2 

HR – 200/min: S  -  0.16 s 
 

 D  -  0.14 s 

1 : 1 

 
The duration of systole is more fixed. 
Tachycardia is accompanied mainly by shortening of the diastole – if more than 180/min – 
insufficient filling – critical frequency (HR) for adults. 
 

Functions of the valves 

The AV – valves prevent backflow of blood from V to A during systole 
The semilunar valves prevent backflow from the aorta and pulmonary artery to V during 
diastole. 

All valves close and open passively – by pressure gradient. 
 

The Electrical Activity of the Heart 

Resting membrane potential (RMP): myocardial fibers 
 

approximately – 90 mV 

SA node: -55 to –60 mV 

Conductive tissue: - 90 to –100 mV 

+++++++++ 

–––––––––– 

- - - - - - - - - 

- - - - - - - - - 

–––––––––– 

+++++++++ 

 
RMP depends on differences in concentration of K

+ 

K

i

+

150 mmol/l; K

e

+

 - 5 mmol/l = 30 x 

RMP don´t allow to K

+

 to equalize concentrations. 

Na

i

+

 = 5-10 mmol/l; Na

e

+

 = 140 mmol/l 

Depolarization: Firing level –65 mV 
 

   Initial – is due to an increase in Na

+

 permeability 

    (through fast Na

+

 channels) 

    Following – a slower increase in Ca

2+

 permeability 

                 (through slow Ca

2+

 channels) – plateau  (!) 

Repolarization is due to a delayed increase in K

+

 permeability. 

The excitation in the conductive system cells 

Lower RMP (-60 mV) firing level – 35 mV 
Fast Na

+

 channel is not activated. 

Unstable RMP – open slow (nonspecific channel) – pacemaker potential = prepotential – due to 
a steady decrease  in K

+

 permeability 

Effect of heart nerves on prepotential: 

-

vagus – acetylcholine – increase in K

+

 permeability –  the slope of 

prepotentials in decreased 

-

 sympathetic nerves – opposite effect - decrease in K

+

 permeability ... 

 
    Prepotential in 

SA node

 has the slope increased in comparison to one in AV node –  

- 

primary center

. Gradient of automaticity. The slope of the prepotential determines HR. 

Electrocardiography (ECG) 

Registration of electrical potentials from the heart also from body surface (the tissues of 

the body contain electrolytes – are conductive). 
W. Einthoven (1903) – string galvanometer 
A three – lead system: Leads I. II. III. – standard -  frontal plane ECG – equilateral triangle 
 
Unipolar leads – V – Wilson – potential of one site is 0. 
 

Transverse plane, precordial leads V

1-6 (12)

 
Augmented unipolar limb leads – aVR, aVL, aVF.  
 

Form of the ECG 

Isoelectric line 
Waves: 
P – atrial depolarization (0.1 – 0.3 mV, 0.1 s) 
QRS – ventricular depolarization (atrial repolarization) 
 

Q – initial depolarization (His bundle, branches) 

R – activation of major portion of ventricular myocardium 

S -  late activation of posterobasal portion of the LV mass and the pulmonary conus 

T – ventricular repolarization 

U – repolarization of the papillary muscles 

 
The duration of the waves, intervals and segments 
P – wave 

0.1 s 

PQ – interval   

0.16 s 

PQ – segment  

0.06 – 0.1 s 

QRS complex  

0.05 – 0.1 s 

QT interval 

0.2 – 0.4 

QT segment   

0.12 

T wave 

0.16 

 
The voltage of ECG curve 
P  -  0.1 – 0.3 mV 
R  -  0.7 - 1.5 mV 
T  -  0.3 – 0.5 mV 
Q, S -  -0.3 -  -0.5 mV 
 
Intracellular potential 100 mV 

Explanation: 
  1) ECG potential represents an algebraic sum of the action  potentials of myocardial fibres 
  2) loss of voltage during spreading of potential 
 

Special use of ECG 

Esophageal leads    (e.g. E-30) 
Intracardial leads – RA, RV – His bundle electrogram 
 
Monitoring:  
– permanent in UIC 
- Holter´s monitoring  (tape recorder) diagnosis of arrhytmias 

Cardiac Output 

- of the LV = the quantity of blood pumped by the LV/min 
- of the RV = the quantity of blood pumped by the RV/min 
 

CO

LV

 = CO

RV  

!!! 

 
CO = SV x f

 = 70 ml x 72 =  5000 ml/min 

Normal values – 5-6 l/min 

Cardiac Index (CI)

 = CO/m

2

 = 3 – 3.2 l/min/m

2

Stroke volume

 = volume of blood ejected per systole 

Changes in CO 

by changes in SV, or f, or both 
 
Change in SV 
End diastolic volume (EDV) – approx. 150 ml 
End systolic volume (ESV)    -               70 ml 
More effective contractions – positive inotropic effect – ESV – functional reserve for the SV and 
CO increase 
 
Change in f – heart rate 
up to a critical level (180/min – in adults) 
 

Cardiac Output Changes 

 
Effect of age – CI in 10 years – 4 l/min/m

2

                                  80           - 2  l/min/m

2

Effect of exercise – CO can rise to 30-35 l/min 
Effects of metabolism – CO proportional to M 
Effect of gravity -       +40 -  +80 % 
Effect of posture – Co falls about 20 % 
 

Measurement of Cardiac Output 

1)

Direct method:  electromagnetic flowmeter 

2)

Indirect methods: 

a) Fick´s method 

       b) Indicator dilution methods 
            - using dyes 
             - thermal dilution - intermittent 
                                           - continuous infusion 
   c) Doppler´s  method 
   d) echocardiography 
   e) bioimpendance method 
 

Methods for heart examination 

 
1) Invasive –   cardiac catheterization (Forssmann 1929): 
- Measurement of pressure in atria, ventricles, aorta,  pulmonary 
artery   
- application of  dyes ... 

- angiocardiography, coronarography - application of X-ray contrast material 
 
2) Noninvasive methods: 

-

Electrocardiography  

-

Heart rate variability evaluation 

-

Auscultation of heart sounds 

-

Phonocardiography 

-

Echocardiography 

-

Polycardiography 

Auscultation/registration of heart sounds 

1st heart sound

 – associated with: 

 1) closure of the AV valves at the beginning of systole 
 2) vibration of the walls of the heart and ejected blood 

2nd heart sound

 – result from closure of the semilunar valves and from reverberation of blood 

back  

3rd heart sound 

– occasionally – at the beginning of the middle third of diastole – period of  the 

rapid filling of ventricles 

4th

heart sound

 – during atrial systole 

The Phonocardiography 

Recording of the heart sounds simultaneously with ECG 
Advantages: 
 

1) More exact analysis of the heart sounds and murmurs 

2) A writing evidence 

The time relationships between ECG and PhCG 

Echocardiography 

 
Pulses of ultrasonic waves are emitted and received by transducer. 
Reflected ultrasound form the structures with different densities = 

echo

f of ultrasound

  > 20 kHz – in EchCG 

2.25 MHz  -  in adults 

                        4.4   MHz  -  in children 

                                    7      MHz  -  in newborns 
Evaluation of the thickness and motions of the heart walls, septum and function of the valves 
(mainly mitral) during the cardiac cycle. Valvular lesions. 
 

Polycardiography 

 
Simultaneous registration of: 1) ECG 
 

           2) PhCG 

                    3) Arterial pulse 

           4) Venous pulse 

           5) Pressure curves (ao, LV, RV, PA ...) 

Hemodynamics – Dynamics of Blood Circulation 

A)

General Hemodynamics 

B)

Special Hemodynamics 

A)

General – biophysical considerations: 

             Parameters: 
 
       1) Flow 
       2) Velocity 
       3) Pressure 
       4) Resistance 
 
1) Blood Flow 
             V           
    F = ––––    (m

3

/s; 1/s; ml/min ...) 

              t 
     Flow:               – luminar (streamline) 

-

turbulent 

                                      dens.x diam. x velocity 
     Reynolds number = ––––––––––––––––––– 
                                               Viscosity 
 
     Critical velocity – in ascending aorta 
                                - in anemia 
     Systolic murmurs 
 
             Dif.P 
     F = –––––– 
                R 
 
     Critical closing pressure = P at which flow ceases. 

 
Velocity of Blood 

                   1 
 

v = ––   (m/s; cm/s ...) 

                   t 
 
                    F  

= flow                                       cm

3

 x s

-1 

v =     –––  

                   = ----------   =  cm/s 

                    A  

= cross–sectional area                cm

2 

___________________________________________________________________ 

d 

         v 

_______________________________________________________ 
Aorta   

             4.5 cm

2

30-40 cm/s (120) 

A.a. 

20 

20-30 cm/s 

Arterioles 

400 

3 mm/s 

Capillaries 

4500   

0.5-1 mm/s 

Venules 

4000   

0.5-1 cm/s 

Veins   

               40   

1-5 cm/s 

v.cava   

                5 

8 cm/s 

________________________________________________________ 
 

Methods for Measuring Blood Velocity and Flow 

 
1)   Electromagnetic flowmeter 
2)   Plethysmography 
3)   Venous occlusion plethysmography 
3)   Rheoplethysmography 
4)   Radioactive methods 
5)   Measurement of circulatory time 
6)   Ultrasonic flowmeter (Doppler) 

 
Blood Pressure 

- Frontal 
- Lateral 

- Systolic 
- Diastolic 
- Mean 
- Pulse amplitude 
 
Normal values  

mm Hg 

kPa 

LV 

125/0                     

12-20/0 

A.a. 

120 

            12-20/8-13 

Arterioles 

40-50   

  4-6 

Capillaries 

30-15   

  4-2 

Veins   

            4-7 

              0.5-1 

CVP (RA) 

-5+5   

                         -0.4+0.4 

RV 

30/0 

   3.5/0 

PA 

27/10   

               3.5/1.2 

Pcap.   

10 

               1.3 

LA 

-5+5   

    0.4 + 0.4 

Measurement of BP 

Methods: - direct 
                 - indirect 
 
Direct methods: Hales 1773 
Catheterization – electronic manometers with transducers 
 
Indirect methods:  
- Palpation (Riva – Rocci) 
- Auscultatory (Korotkoff) 
- Oscillometric (Pachon, electronic-digital) 
                                                     

Principles for accurate measurement of BP 

Patient: should rest undisturbed in a quiet, comfortable setting at room temperature for at least 5-
15 minutes. To avoid physical activity, food consumption, smoking, caffeine ingestion and 
emotional stress for at least half an hour before measurement.Full bladder or bowel can cause an 
increase in BP. Nonconstring clothing – with no sleeves. Children – should be given sufficient 
time to recover from crying. 
 
„White – coat hypertension“ – physicians cause + 27/15. Measurement at home. 

 
Recommendations for observer measuring BP 

- Have normal hearing and vision, be trained in the technique for measurement BP 
- Support the patient´s arm – the antecubital fossea at heart luvel 
- Chair with back and arm support when the patient is sitting 
- Use an appropriately sized cuff 
- Check the BP by palpation before auscultation 
- Deflate the cuff 2-3 mmHg/s 
- Use the 1st and 5th Korotkoff sounds to determine BP syst. and BP diast. 
- Allow 1-2 min. between readings 
- Take readings with the patient in the lying or sitting position and in the standing position 
- Assess the BP at least 3x over 3-6 months among patients with midly  
   elevated BP 
 

BP depends on: 

1) Heart activity 
2) Vascular resistance 
3) Volume and viscosity of blood 
4) Compression vessels by different organs and pressures (e.g. intraabdominal) 
5) Hydrostatic pressure – effect of gravity 
 
1)Heart activity 

    CO = SV x f 

 
    Increase in SV       →            increase mainly BP syst. 
    Increase in f (HR)  →            increase mainly BP diast. 
 
 
 

2)Vascular resistance 
increase → rise mainly BP diast.  
 
3)Volume and viscosity of blood 
a)Volume – hypovolemia/hypervolemia: hypotension/hypertension 
b) Viscosity – the greater the viscosity, the less the flow in a vessel. 
  The viscosity of blood at normal hematocrit is about  3 (R for blood is 3x the R for water flow), 
at Ht 60-70  is viscosity about 10x that – of water – slow and difficult flow perfusion. 
 
4)Compression of vessels by different organs and pressures 
Compression by skeletal muscles, intraabdominal pressure ... 
Coughing, defecation, delivery ...Transmission of the pressure to vessels. 
 
5)Effect of gravity – hydrostatic pressure 
In standing person the magnitude of the gravitional effect is 0.77 mmHg of height. 
BP is increased by 0.77 mmHg for each cm below the RA and decreased by 0.77 mmHg for each 
cm above the RA. 
 
Arterial BP in the foot = 100 + (0.77 x 105 cm) = 180 mmHg 
Venous BP      -   “  -   =     7 +       -  “  -            =  87 mmHg 
 

Physiological Changes in BP 

 
    1) Effect of age and sexual differences 
       Newborns, children, sexual differentiation in the pubertal age, BP in old subjects. 
 
    2) Postural effects 
       Orthostasis, klinostasis 
 

3)

Effects of organ activities 

            a) breathing – fluctuation of BP 
            b) GIT – food consumption, increase in BP syst., BP diast. unchanged, or decreased 
            c) CNS – sleep (REM/non REM) 
           d) skeletal muscles – exercise, physical work 
 

Vascular Resistance 

- the impediment to blood flow in a vessel 

            P       BP 
   R = ––– = ––– 
            F        F 
 
 
                      BP

ao.mean

 - BP

RA

       100 – Ø mmHg 

Total SVR = –––––––––––––   =  ––––––––––––– = 
                                F

ao

                       5 l/min 

 
                         =  20 mmHg/l/min 
 
 

                              BP

PA mean  

- BP

LA            

20-Ø 

Pulmonary VR = ––––––––––––––– = –––––––   = 
                                        F

PA

                       5 

 
                           = 4 mmHg/l/min 
 
Poiseuille – Hagen Formula 
 
         8 x vi x l  
R = –––––––––    → 
           π x r

4

BF and R are markedly affected by changes in r (caliber of the vessels). 
 
Two components of R: 
 

1) Characteristics of wall vessel – reciprocal to elasticity 

            2) Caliber of vessels – mainly arterioles 
 

Elasticity – arterial compliance 

Importance in maintaining of: - BP diast. 
 

     - F     diast. 

„Secondary hearts“ 
Deterioration of the arterial elasticity → increased BP syst.  and the pulse pressure 
(arteriosclerosis – systolic hypertension). 
Changes of elasticity – changes in quality and velocity of the arterial pulse velocity. 
 

REGULATION OF THE CIRCULATION 

 
                                            regulation of action of the heart 
Regulation of circulation  ⁄   
                                        \  regulation of diameter of the vessels 
 
 
REGULATION OF THE CARDIAC ACTIVITY 
 
                           

Autoregulation 

Regulation of the heart activity

                      Nervous

Humoral regulation 

1)

Intracardiac regulation - AUTOREGULATION: 

a) Heterometric autoregulation –   FRANK-STARLING LAW:„the energy of    

                contraction is proportional to the initial length of the cardiac muscle fiber – to the   
                end diastolic volume“ 
 
Relation between muscle fiber length and tension. 
Diastolic filling = end diastolic volume 
 

As the diastolic filling increases, the forces of contraction of the ventricles is increased. 
Principle of this law is in ultrastructure of the cardiac muscle. 
 
Physiological roles of the FS law: 
 1/ maintaining the equal CO

s

 of RV and LV 

 2/ compensation of the law of Laplace „pressure evoked by wall of a cavity is reciprocal to its 
diameter“                      
    or:    the distending pressure in a distensible hollow object   is equal to the tension in the wall 
(T) divided by the radius 
3/  regulation of the CO

s

 during venous return changes 

 
b) Homeometric regulation – „Bowditch´s stairs“  
– effect of heart rate on the force of contraction 
Regulation due to changes in contractility  independent on length – „force – frequency relation“ 
Principle - increased availibility of intracellular Ca

+2

. 

 
Physiological role:  better emptying of the ventricles during tachycardia 
Optimal and critical frequency. 
 

NEURAL CONTROL: 
 
The autonomic nervous system: 

 
1) Parasympathetic nervous system (craniosacral division) = cranial nerves: III, VII, IX, X, 
sacral.  S

2

 - S

4

Cholinergic system, receptors of muscarin type (M-receptors), blockade by the atropine. 
Tonic discharge in vagus = vagal tone 
After blockade (cutting X./atropine) – tachycardia (of 70 to 150/min) 
 
Development of the vagal tone in ontogeny: 
 

Newborns – weak tone – HR = 120/min. 

During infancy – the tone rises – mainly in pubertal age 

Sportsmen - stronger vagal tone 

 
2) Sympathetic nervous system (thoracico – lumbar) = Th

1

 – L

3-4

Noradrenergic system, receptors NA(A) 
Receptors – alpha – mainly in vessels – vasoconstriction 
                 - beta (heart-beta

1

) – positive tropic effects 

 
Tonic discharge in the cardiac sympathetic nerves = sympathetic tone 
After blockade – beta

1

 sympatholytics – bradycardia (of 70 to 55-60/min). 

 
Vagal tone in humans – dominant

. 

Cardiomotoric center 

 
Located bilaterally in the reticular substance  of the medulla and in the lower third of the pons. 
 
The 

lateral  portions

  transmit  excitatory  impulses  through  the  sympathetic    nerve  fibers  to  the 

heart with positive tropic effects = 

cardioexcitatory part

. 

 
The 

medial portion

, which has in immediate apposition to the dorsal motor  nucleus of the vagus 

nerve, transmits impulses through the vagus nerve to  the heart – with negative tropic effects = 

cardioinhibitory center

. 

HUMORAL REGULATION  

 
Catecholamines (E, NE) – 

adrenal medulla

T

3

, T

4  

- 

thyroid gland

Glucagon – 

pancreas 

all = positive tropic effects 
 
 
 

REGULATION OF DIAMETER OF THE VESSELS 

- autoregulation 

- nervous 

- humoral 

1)Autoregulation

Myogenic: 

Compensation of pressure changes by changes in diameter (vascular resistance) for remaining 
constant blood flow:  
The vascular smooth muscle in the vessels contract – in response to the tension of the vessel 
wall. 

Stimuli from inside.

Autoregulation of renal and cerebral BF. 
 

Stimuli outside –

 mechanical – massage - vasodilatation 

 
Humoral: 

Vasodilator agents:  
Metabolites – lactate, PCO

2

, increase in temperature (working skeletal  muscle), adenosine (from 

ATP) – in cardiac muscle 
Bradykinin, lysylbradykinin (kalidin) in sweat and salivary glands 
Histamine – in skin circulation 

NO   

 
Vasoconstrictors: 
Serotonin, endothelins (ET1), PO

2

 – different reactions in regional circulations (hypoxic 

pulmonary  vasoconstriction, cerebral vasodilatation) 
 

2/Neural regulation 

Parasympathetic division – cholinergic 

vasodilatory

 fibres – only in some   regions of 

circulation (genital) 
 
Sympathetic division – adrenergic postggl. fibers, alpha1,2 receptors, v

asoconstriction 

Exception – cholinergic sympathetic system in vessels in skeletal muscles. 

Permanent vasoconstrictory tone. 

Vasomotor Centre 

in medulla oblongata 
Pressoric area – tonic activity – in rostral ventrolateral reticular area in medulla 
Depressoric area – in the medial and caudal area 
Afferents to the vasomotor centre: 
- Direct stimulation by  ↑ CO

2

, ↓ O

2

- Excitatory impulses: 
 

cortex – hypothalamus 

pain pathways 

peripheral chemoreceptors 

- Inhibitory impulses: 
 

cortex – hypothalamus 

lung receptors 

baroreceptors 

Hormonal control of vessels 

Vasodilatatory hormones: 
VIP  -  in splanchnic circulation 
ANP – secreted by heart – in renal ... 
 
Vasoconstrictory  hormones: 
norepinephrine, angiotensin II, vasopressin (ADH) 
 

Short review of the Autonomic Nervous System Pharmacology 

Sympathomimetic drugs: 
alpha: Norepinephrine 
beta:   Isoproterenol (Isuprel) 
          Epinephrine (adrenaline) 
Miscellaneous: the precursors of E, NE: 
                           Dopamine (Intropin) 
                            Dobutamine (Dobutrex) 
                            Amphetamine (by releasing endogenous catecholamines) 
 
Blocking agents: 
 

Anti alpha – phenoxybenzamine (Dibenzyline) 

      - tolazoline, phentolamine (Regitine) 

      - anti beta

1

 – propranolol (Inderal) 

 - metipranolol (Trimepranol) 

 - pindolol (Visken)…… 

 
Parasympathomimetic drugs: 
 

Acetylcholine 

Pilocarpine 

Methacholine 

Muscarine (in Amanita muscaria) 

 
Anticholinesterases: 
 

Physostigmine 

Neostigmine 

 
Blocking agents: 
 

Anticholinergic   -   atropine 

     -  scopolamine 

CARDIOVASCULAR REFLEXES (CVR) 

Reflex

 = regular response of the organism to stimulation mediated through central nervous 

systém 
 

Reflex arc:

1)

receptor (sense organ);  

2)

afferent neuron;  

3)

center;  

4)

efferent neuron; 

5)

effector (in CVR – heart and vessels) 

Receptors (for CVR):  
1) Interoceptors 

– for perception of the internal environment: 

a)

Baroreceptors 

      b) Chemoreceptors 

     Baroreceptors     

– low – pressure receptors 

- high pressure receptors 

     a) Low – pressure receptors 

– atrial stretch receptors: 

                                    2 types      -  „A“ – they discharge primarily during atrial systole 
                                                      -  „B“ -               -       “         -                   atrial filling, 
 

                        peak – at the end of atrial diastole. 

The discharge is increased when venous return is   increased = volumoreceptors for monitoring 
venous return. 
 

Effects of the increased stimulation of the atrial baroreceptors: 

Vasodilatation – an accumulation of the blood in the periphery – a fall in BP. 
 
Bainbridge Reflex – rapid infusion to the right atrium – changes in HR. 
 
Initial basal increased HR – effect: bradycardia 
      - “  -       decreased HR – effect: tachycardia 
 
Two components:- reflex – through atrial baroreceptors 

-

mechanical – local stretch – effect on the SA node  

b) High – pressure receptors 

- carotid sinus 

- aortic arch 

- LV 

Carotid sinus receptors:

 spray type nerve endings – in the adventitia of the carotid bifurcation 

and the internal carotid artery.  
 
Afferent neurons: Innervation –  through the branch of n. IX. – Hering´s nerve.  
Center of the carotid sinus reflex – tractus solitarius in the  medulla,  
Efferent neurons:  n.X and parasympathetic + sympathetic nerves to vessels.  
Effectors: Heart, smooth muscles in the vessels  wall.  
 
Stimulation: The baroreceptors are stimulated by distension of the vessels wall – stretch 
receptors. 
 

Aortic arch receptors:

 in the wall of the aorta. 

Affferent pathway: 

Innervation – through the vagus) 

Center, efferent pathway, effectors and effects – the same as in CSR 
 

Left ventricular receptors:

Afferent and efferent pathways: n. vagus. 
 

Activity and effects of the HP baroreceptors 

Normal BP – r. discharge at a slow rate 
Increased BP – the discharge rate increases 
Decreased BP -      -   “     -           declines 

Effects: 

BP  increase  (hypertension):  The  increased  discharge  rate  evokes  rising  activity  in 
cardioinhibitory  center  and  depressoric  area  of  the  vasomotor  center  –  bradycardia, 
vasodilatation – a fall in BP to the normal level 
 

BP decrease (hypotension): The decreased discharge ... vice versa. Normalization of the BP in 
different situations. 
 

Baroreceptor Testing 

- Pressure on the SC region – unconstant stimulus 

   Syndrome of the hypersensitive SC (sy HSC) 

- Carotid Clamping – proximal or distal to the CS - on experimental  
   animals 
- Cutting the CS nerves - on experiments/ treatment sy HSC 
- Application of the drugs eliciting an increase in BP (NE,dopamine) 
- Different maneuvers (orthostasis, klinostasis, Valsalva ...) 
   
Orthostatic Reflex 
When a person stands – venous return decreases due to hydrostatic pressure of the blood. 
A decrease in CO and systemic BP occurs.  
 
Falling BP at the baroreceptors elicits an immediate reflex, with strong sympathetic activity – 
vasoconstriction, increase in BP diast., tachycardia.  

The aim

 – to maintain an adequate perfusion of organs. 

 
 
 
Valsalva maneuver 
Forced expiratory effort against a closed glottis – P

pl

 + 30-50 mmHg. 

5 phases: 

1st. – at the onset of straining, the BP rises 
2nd – a decrease of venous return, CO, BP; HR increases 
3rd – reflex vasoconstriction – stop of the fall of BP, HR increases 
4th – after the first inspirium, start of the breathing – decrease in BP – 
         - filling of the pulmonary circulation with blood  
5th -  an increase in BP – vasoconstricton persists, an excessive venous  return – stimulation   
         of baroreceptors, causing bradycardia and  a drop in BP to normal values. 
 

Chemoreceptors

  -  peripheral 

       - central 

 
Peripheral chemoreceptors: 
Carotid and aortic bodies – near the carotid bifurcation,  and the arch of the aorta. 
The highest BF/g. 
Stimulation – low PaO

2

 (high PaCO

2

, acidosis) 

 
Effects – an increasing of pressoric area of vasomotor centre, vasoconstriction (splanchnic), 
redistribution of the blood,  an increase in BP. 
HR – primarily tachycardia, secondary bradycardia through baroreceptors 
 
Central chemoreceptors: in the brain stem, on the ventral surface, H

+

 zone.  

Stimulation: a decrease in pH - acidosis. 
 
Effects – changes in respiration, without any direct effect on  cardiovascular system. 
 

2) Nonspecific receptors 

A) Trigeminal endings: 
1) Oculocardiac reflex: 
   

Stimulation:

 pressure on the mechanoreceptors of eye and orbit –  

Effects:

 Depressoric effects on vessels and breathing - a decrease in  

                  HR by 5-14 / min. 
   
2) Kratschmer apnoeic reflex: 
   

Stimulation:

Intranasal insufflation of various irritant gases (smoke, 

    ammonia ..)  
    

Effects:

 reflex respiratory arrest + laryngoconstriction + bradycardia   

            + redistribution of the blood to the vital most important organs  
               (from the splanchnic circulation). 
 
3) The diving reflex: 
    

Stimulation

 of the trigeminal region with cold (water). 

Effects:

  the same as in Kratschmer. 

    Oxygen conserving reflex – the changes primarily safeguard the blood and oxygen supply   
     of the heart, the brain. 

B) Vagal receptors 
Stretch receptors – localized in the smooth muscles of the airways –  
 

     - 

the

Hering-Breuer inflation reflex

. 

Stimulation:

 lung inflation  

Effects:

 termination of inspiration, systemic hypotension  

(mechanical limitation of the venous return + reflex vasodilatation), 
tachycardia. 
 
Juxtapulmonary capillary receptors – 

the pulmonary chemoreflex

. 

Stimulation

 by interstitial pressure ( pulmonary edema), chemical substances (PDG, NaS, 

hypertonic solution)... 

Effects:

 biphasic – inhibition/stimulation reaction: apnoe/hyperpnoe; 

  hypotension/hypertension + bradycardia (through baroreceptors). 
 
C-fiber endings in the coronary circulation – 

the coronary chemoreflex 

Stimulation:

 by chemical substances (veratridine, serotonin, capsaicin, metabolites ...) 

Effects:

 rapid shallow breathing, hypotension, bradycardia = depressor reflex (during myocardial 

infarct?) 
 

The Coronary Circulation 

Anatomy: 

The right and the left coronary 

artery

- the anterior descending 
- the circumflex branch 
Smaller branches (epicardial arteries) give off tiny arteries that course at right angles through the 
myocardium = intramural vessels 
 

Capillary number: 

1 capillary/1 myofiber (3000/mm

3

) 

Venules

 converge to the coronary sinus – into the RA 

The veins

 from the right side of the heart drain directly at multiple site within the RA and RV. 

 
Blood Flow 

BF = 250 ml/min

;

 (60 ml/min/100 g heart w.)  = 5% of CO 

Pressure – Flow Paradox: 

 BF falls during systolic BP and it rises  with the onset of diastole when BP  is low – mainly in 
LV coronary   intramural vessels 
Explanation: Contraction of the LV squeezes the intramural vessels. 
The flow dependence on the cardiac cycle phases – on differential pressure between BP

ao

 – P

in

myocardial ventricular wal (intraventricular P). 

Pressure 

Gradient (dif. P) 

Aorta   LV 

RV 

Ao – LV 

Ao – RV 

_______________________________________________________ 
Systole 120 

         121   

25 

     -1   

    95 

Diastole 

  80 

           Ø  

 Ø 

      80      80 

________________________________________________________