Nei capillari (▶figura 6) hanno luogo gli scambi tra sangue e liquidi interstiziali utilizzando modalità differenti. La maggior parte delle sostanze si muove attraversando la membrana plasmatica delle cellule endoteliali che rivestono i capillari. Le sostanze liposolubili e molte piccole molecole passano per diffusione (un tipo di trasporto passivo), muovendosi da un’area dove si trovano a una concentrazione maggiore verso una a concentrazione inferiore; alcuni ioni e piccole molecole polari possono attraversare le membrane all’interno di vescicole, per endocitosi o esocitosi (che sono tipi di trasporto attivo). Talvolta piccole molecole entrano o escono attraverso le fessure intercellulari o i pori dei capillari fenestrati.

I capillari che si trovano nei differenti tessuti, comunque, sono diversamente selettivi. Tutti i capillari sono permeabili all’O₂, al CO₂, al glucosio e a piccoli ioni come Na⁺ e Cl^–. Per quanto riguarda altre sostanze vi sono forti differenze da tessuto a tessuto: i capillari del cervello, per esempio, lasciano passare poche categorie di sostanze mentre i capillari del tratto digerente (dove i nutrienti vengono assorbiti) e dei reni (dove gli elementi di scarto vengono filtrati) sono meno selettivi.

I meccanismi di scambio descritti in precedenza richiedono un preciso controllo del flusso sanguigno.

Un primo livello di controllo si attua a livello locale variando la quantità di sangue che fluisce attraverso un letto capillare in relazione alle esigenze del momento. Ciò è possibile per due ragioni: innanzitutto la rete capillare nel suo complesso è molto vasta e viene utilizzata in condizioni di riposo solo in minima parte. Si può quindi aumentare e ridurre l’afflusso di sangue aumentando o riducendo il numero di capillari impegnati. In secondo luogo le arteriole che alimentano un letto capillare sono dotate di «anelli» di muscolatura liscia, chiamati sfinteri precapillari, posti all’esterno del vaso proprio nel punto di passaggio fra arteriola e capillare.

Se gli sfinteri precapillari sono contratti, limitano il rifornimento del sangue al letto capillare; se invece sono rilassati e l’arteriola è completamente aperta, la pressione sanguigna arteriosa spinge il sangue nei capillari.

Contrazione e rilassamento avvengono in risposta a precisi stimoli chimici. Se per esempio in un tessuto la concentrazione di O₂ è troppo bassa e la concentrazione di CO₂ è troppo elevata, gli sfinteri si rilassano aumentando quindi il rifornimento di sangue. In questo modo il tessuto riceve una maggior quantità di O₂ ed elimina più CO₂: questa risposta è conosciuta come iperemia.

Anche l’aumento di altri prodotti del metabolismo promuove l’iperemia attraverso lo stesso meccanismo. In generale, tutte le attività che aumentano il metabolismo di un tessuto inducono anche iperemia.

I meccanismi di autoregolazione descritti hanno altri effetti più generali, perché influenzano la pressione e la composizione del sangue arterioso. Se per esempio molte arteriole improvvisamente si dilatano, il sangue può fluire attraverso molti più letti capillari e la pressione arteriosa scende. Se tutti questi letti capillari appena riempiti forniscono CO₂ al sangue contemporaneamente, la concentrazione di CO₂ nel sangue che torna verso il cuore aumenta in modo considerevole. Il sistema nervoso e quello endocrino rispondono a questo cambiamento variando la velocità della respirazione, la frequenza del battito cardiaco e la distribuzione del sangue, per adeguarsi ai bisogni metabolici del corpo.

Il sistema nervoso autonomo controlla la frequenza cardiaca e la costrizione dei vasi sanguigni grazie a un centro di controllo cardiovascolare situato nel tronco cerebrale, nella zona cioè che raccorda il midollo spinale all’encefalo (▶figura 8). Il centro di controllo riceve informazioni da appositi recettori, che segnalano i cambiamenti della pressione e della composizione del sangue.

I recettori per la pressione (barorecettori) sono situati nelle pareti delle grosse arterie che portano il sangue al cervello: l’arco aortico e le arterie carotidee. Il meccanismo di risposta alle variazioni di pressione del sistema è un esempio di feedback negativo. Quando i recettori segnalano un aumento della pressione, il centro di controllo rallenta il battito cardiaco e determina una vasodilatazione a livello delle arteriole periferiche. Se invece la pressione nelle grandi arterie scende, l’attività dei recettori di tensione diminuisce e il centro di controllo stimola la vasocostrizione delle arteriole e l’aumento della frequenza del battito cardiaco.

Un’altra informazione che induce il centro di controllo cardiovascolare ad aumentare il battito cardiaco e la pressione sanguigna proviene dai chemiorecettori del midollo allungato, dell’arco aortico e delle arterie carotidee. Questi chemiosensori del midollo allungato vengono attivati dall’aumento dei livelli di CO₂ nelle arterie, e nelle carotidi e i corpuscoli recettoriali nell’arco aortico vengono attivati dalla diminuzione dei livelli di O₂ nelle arterie.