Instituto do Coração do Hospital das Clínicas – InCor, Faculdade de Medicina da Universidade de são Paulo - FMUSP - São Paulo, SP
Com a crescente popularidade e a ênfase sobre os benefícios do condicionamento físico na criança, devemos compreender os aspectos fisiológicos relacionados ao exercício na população pediátrica. As crianças não devem ser vistas como "miniatura de adultos"1, elas são únicas e apresentam particularidades em cada estágio do seu crescimento. O desenvolvimento dos sistemas musculoesquelético, nervoso e endócrino dita, em grande parte, seus limites fisiológicos e metabólicos diante do esforço1,2. Atualmente, tem-se verificado um interesse crescente na pesquisa sobre o crescimento e desenvolvimento fisiológico de crianças e adolescentes e, conseqüentemente, sobre os mecanismos envolvidos no comportamento cardiorrespiratório e metabólico observado na população pediátrica durante a prática do exercício físico. De fato, certos autores2-5 atribuem as diferentes respostas fisiológicas e metabólicas observadas em crianças durante a prática do exercício físico ao nível de maturação biológica apresentado por elas, já que à medida que elas crescem, também desenvolvem quase todas as suas capacidades funcionais.
Num elegante estudo, Vinet e cols.3 observaram que crianças pré-púberes apresentam menores valores de débito cardíaco no pico do exercício, quando comparadas a jovens adultos. Com relação ao metabolismo celular, vários estudos têm observado que as crianças apresentam uma atenuada eficiência na atividade glicolítica durante a prática do exercício físico quando comparadas a indivíduos adultos1,5-7. Na fase do estirão de crescimento pubertário importantes hormônios (somatotropina, fatores de crescimento semelhantes à insulina e hormônios esteróides sexuais) são liberados na corrente sangüínea1,2. Nesse período há aumento da massa corporal magra, e essa mudança na composição corporal influencia positivamente o desenvolvimento das capacidades físicas e desempenho durante a adolescência.
Vários aspectos das adaptações biológicas ao exercício em crianças e adolescentes devem, portanto, ser considerados. Quais alterações fisiológicas em resposta ao exercício ocorrem com a idade, quando crianças e adolescentes estão com o mesmo dispêndio absoluto de potência ao desempenhar suas tarefas? Há diferenças significativas nas respostas cardiovasculares, ventilatórias e metabólicas às diferentes demandas (submáxima ou máxima) de exercício no indivíduo em crescimento? (
A seguir serão apresentados diferentes estudos que mostram os possíveis mecanismos morfofuncionais que tornam diferenciada a responsividade cardiovascular, ventilatória e metabólica durante o esforço físico observado em crianças.
No que diz respeito aos parâmetros cardiovasculares, tais como freqüência cardíaca (FC), volume de ejeção sistólico (VS), débito cardíaco (DC) e diferença arteriovenosa de oxigênio (diferença a-vO2), é sabido que a população pediátrica apresenta um comportamento diferenciado tanto no nível submáximo como no máximo de esforço, em relação ao observado em seus congêneres adultos2,3,8,9. As possíveis causas podem ser: 1) menor volume cardíaco e sangüíneo2,3,8; 2) maior estimulação dos quimiorreceptores periféricos8; 3) níveis mais baixos de catecolaminas circulantes10; 4) menor responsividade dos receptores beta-adrenérgicos11 e 5) diferença no ajuste dos mecanismos de termorregulação12,13.
A freqüência cardíaca, um importante parâmetro utilizado no controle de intensidade do treinamento físico, apresenta uma resposta exacerbada em crianças2,3,8,9,12. Para Vinet e cols.3, essa maior atividade cronotrópica observada em crianças para uma mesma demanda de trabalho deve-se a um mecanismo compensatório relacionado ao menor volume do coração, menor volume sangüíneo e, subseqüentemente, a um menor volume de ejeção sistólico (
Esse parece ser o caso, pois estudos comparando a resposta cronotrópica em indivíduos adultos para uma mesma demanda de trabalho encontraram maior freqüência cardíaca para os exercícios realizados com pequenos grupos musculares, em relação aos que utilizaram os grandes grupos musculares14,15. Entretanto Turley16, em sua investigação com o propósito de analisar a influência metaborreflexa no cronotropismo durante o exercício isométrico, observou que o metaborreflexo muscular influencia de modo semelhante a resposta cronotrópica entre crianças e adultos.
Para Bar-Or12, o maior cronotropismo observado em crianças para uma dada intensidade submáxima de exercício pode estar relacionado em parte às diferenças na modulação da temperatura corporal. As crianças apresentam uma reduzida capacidade evaporativa de dissipação do calor corporal, em razão de que dependem mais das vias da convecção e radiação12,13. A efetiva perda de calor por essas vias (convecção e radiação) aumenta a redistribuição do fluxo sangüíneo para as áreas superficiais corporais às expensas do volume sangüíneo central, provocando desse modo um desvio para cima da frequência cardíaca (desvio cardiovascular) para manutenção de um dado débito.
O volume de ejeção sistólico, ou seja, a quantidade de sangue ejetada do ventrículo esquerdo durante uma sístole, apresenta uma cinética curvilínea em crianças durante o exercício físico progressivo3,9,17,18, o mesmo comportamento observado em indivíduos adultos19,20. Num elegante estudo, Rowland e cols.17, utilizando a ecocardiografia com Doppler e bidimensional atribuiu, a esse comportamento curvilíneo (platô) os seguintes mecanismos: 1) a vasodilatação periférica desempenhando um importante papel no aumento inicial do VS (menor pós-carga); 2) valores mais altos de freqüência cardíaca nas cargas mais elevadas de trabalho, mantendo estável o VS (platô) e a dimensão diastólica ventricular esquerda e 3) a maior responsividade em relação a contratilidade (inotropismo) auxiliando na manutenção do VS em relação as cargas mais elevadas de trabalho.
Já para Nottin e cols.18, o comportamento curvilíneo observado em crianças deve-se a uma combinação de pré-carga, pós-carga e contratilidade miocárdica. Segundo os autores18, o principal achado da presente investigação foi o fato de que crianças e adultos utilizam mecanismos similares em relação a adaptação do VS diante do exercício físico progressivo. Apesar da cinética do VS ser semelhante entre crianças e adultos, a população pediátrica apresenta uma resposta inotrópica atenuada e, como conseqüência, menores valores de VS, tanto no repouso como durante a realização do exercício (submáximo ou máximo), em relação ao observado em seus congêneres adultos2,3,8,9 (
Para Rowland e cols.9, o menor VS observado em crianças tanto no repouso como durante o exercício físico está estreitamente relacionado aos aspectos morfológicos (menor volume cardíaco e menor volume sangüíneo) e não aos funcionais, conforme postulado por outros estudos11,21. Segundo os autores, não há indícios de que a contratilidade miocárdica possa ser menor em crianças e tenda a aumentar na maturidade física. Os autores chegaram a essa conclusão observando valores idênticos entre crianças e adultos para o tempo de intervalo sistólico (marcador da contratilidade miocárdica) e na fração de ejeção ventricular esquerda, quantificada por meio da ecocardiografia.
O débito cardíaco, ou seja, o produto da frequência cardíaca pelo volume de ejeção sistólico pode ser definido como o volume de sangue ejetado do ventrículo esquerdo a cada minuto22. De fato, essa variável apresenta menores valores para todos os níveis de intensidade relativa de exercício na população pediátrica3,8,23 (
Já Miyamura e cols.23 observaram em estudos transversais que o débito cardíaco máximo aumentou de 12,5 para 21,1 l/min em garotos com idade entre dez e vinte anos, respectivamente. Segundo Malina & Bouchard2, as dimensões do coração aumentam no transcorrer da idade até o alcance da maturação biológica paralelamente ao crescimento da massa corporal, e esse aumento está relacionado tanto com a elevação do volume de ejeção sistólico como do débito cardíaco.
A diferença arteriovenosa de oxigênio pode ser definida como a diferença no conteúdo de oxigênio entre o sangue arterial e venoso misto22. Essa variável fisiológica reflete a eficiência na extração de oxigênio em nível periférico por parte dos tecidos metabolicamente ativos. De fato, para uma determinada intensidade submáxima absoluta de exercício (VO2), as crianças apresentam valores mais elevados de diferença a-vO2 para compensar o menor débito cardíaco em relação ao observado em suas contrapartes adultas2,8,24 (
Koch26,27 observou, em crianças ao se exercitarem em cicloergômetro, maior perfusão sangüínea muscular em relação ao verificado em indivíduos adultos para uma mesma demanda de trabalho. No entanto, para níveis máximos de trabalho, a população pediátrica apresenta menores valores3,9. Rowland e cols.9 observaram valores mais baixos de diferença a-vO2 no pico do exercício em crianças em relação ao verificado em indivíduos adultos, sendo esses valores de 13,9 e 17,2 ml/100ml, respectivamente. Segundo os autores9, esse achado pode ser explicado em parte pela menor concentração de oxigênio no sangue arterial, refletida por níveis mais baixos de hemoglobina circulante conforme observado em crianças2,8.
Os volumes e as capacidades pulmonares estáticas, como volume corrente, volume de reserva inspiratório, volume de reserva expiratório, capacidade vital forçada, volume pulmonar residual e capacidade pulmonar total, assim como os volumes pulmonares dinâmicos, tais como volume expiratório forçado e ventilação voluntária máxima, fornecem indícios da evolução e da eficiência funcional do crescimento do sistema respiratório da criança2. Esses volumes e capacidades apresentam alterações acentuadas com a idade, com todos os volumes pulmonares aumentando até o final do crescimento2,22.
Alterações desses volumes e capacidades, no entanto, combinam com as alterações da ventilação máxima que podem ser conseguidas durante o exercício exaustivo; essa ventilação máxima é denominada ventilação expiratória máxima (VEmáx), ou ventilação minuto máxima22. Por exemplo, estudos transversos mostram que a média da VEmáx é de aproximadamente 40 l/min para meninos de quatro a seis anos de idade, e aumenta para 110 a 140 l/min na maturidade completa. Essas alterações estão associadas ao crescimento do sistema pulmonar, o qual acompanha os padrões gerais de crescimento da criança22. Para Malina & Bouchard2, o aumento dos volumes e das capacidades pulmonares, tanto estáticos quanto dinâmicos, estão intimamente relacionados com o crescimento em estatura da criança.
A ventilação minuto (VE), ou seja, o produto da freqüência respiratória (FR) pelo volume corrente (VC), pode ser definida como o volume de ar movimentado pelos pulmões a cada minuto22. De fato, variáveis ventilatórias como FR, VC e VE estão estreitamente associadas com as características antropométricas da criança, particularmente massa corporal e estatura28. Rowland & Cunningham4 observaram em crianças pré-púberes que, com o avançar da idade, a FR mostra um declínio progressivo e o VC apresenta um aumento linear estabilizando-se na maturidade física, tanto para uma dada intensidade submáxima como para máxima de trabalho.
Quando as crianças são submetidas a uma determinada intensidade submáxima absoluta de exercício, por exemplo 60 watts em um cicloergômetro, a intensidade das respostas ventilatórias mostra-se exacerbada em relação ao verificado em indivíduos adultos, diminuindo progressivamente com o transcorrer da idade2,4. Rowland & Cunningham4 verificaram, num período de cinco anos, um declínio progressivo na variável equivalente ventilatória de oxigênio (VE/VO2) tanto para uma determinada intensidade submáxima absoluta como para o pico do esforço (
Parte da explicação para essa menor eficiência ventilatória observada na população pediátrica relaciona–se à mecânica da ventilação. De fato, Lanteri & Sly29 verificaram que, com o avançar da idade, há elevação progressiva na complacência do tecido pulmonar e diminuição da resistência ao fluxo aéreo. Em contrapartida, Springer e cols.30, assim como Gratas-Delamarche e cols.31, atribuem a menor eficiência ventilatória observada em crianças, a mecanismos neuro-humorais. Segundo esses autores, as crianças apresentam um
Para níveis máximos de trabalho, no entanto, as crianças apresentam menores valores de ventilação minuto. Rowland & Cunningham4 observaram uma relação positiva entre idade cronológica e ventilação minuto máxima. Já Prioux e cols.32 verificaram uma relação direta entre aumento de massa corporal magra e ventilação minuto máxima. Rutenfranz e cols.33 observaram em crianças com idade entre oito e dezessete anos a existência de uma relação positiva entre estatura e ventilação minuto máxima.
Certamente, os valores mais elevados de VE no pico do exercício, alcançados pela população pediátrica com o avançar da idade, estão relacionados com os níveis de maturação somática, apresentando uma relação direta com o crescimento do sistema pulmonar2,32,33.
A produção de energia anaeróbica é importante, pois muitas das atividades realizadas por crianças envolvem explosões de dispêndio de energia ou
De fato, a população pediátrica apresenta menor capacidade anaeróbica em relação ao verificado em indivíduos adultos1,2,5-7, não sendo possível identificar um fator morfológico, fisiológico ou bioquímico isolado que determine essa menor capacidade de desempenho sob condições de anaerobiose. Pelo contrário, a menor eficiência anaeróbica observada em crianças advém da interação desses fatores, da qual algumas das possíveis explicações para essa atenuada capacidade anaeróbica são: 1) diferenças no padrão de recrutamento das unidades motoras1,34; 2) diferenças na tipagem das fibras musculares esqueléticas1,35,36; 3) níveis tissulares mais baixos de glicogênio intramuscular1,37-39; 4) reduzida atividade de catálise das enzimas glicolíticas-chave como a fosfofrutoquinase (PFK) e a lactato desidrogenase (LDH)1,2,6,7,38 e 5) reduzida atividade glicogenolítica muscular por modificação covalente40. Evidências sugerem que parte da melhoria observada no desempenho anaeróbico em crianças, à medida que crescem, deve-se ao aumento da mielinização das fibras nervosas no córtex motor22, melhorando desse modo a coordenação e ativação das unidades motoras34.
Num elegante estudo, Atomi e cols.35 observaram que a área porcentual das fibras musculares oxidativas (tipo I) é maior em crianças antes da puberdade, quando comparada à das fibras musculares glicolíticas (tipo II). Além disso, existem evidências em estudos transversais de que crianças possuem uma alta porcentagem de fibras musculares oxidativas em relação às fibras musculares glicolíticas, comparando-se com adultos, sugerindo a possibilidade de mudança com maior participação das fibras musculares glicolíticas com o avançar da idade36. Dentro de um outro espectro, estudos37,38 mostram que o conteúdo tissular de glicogênio muscular em crianças é cerca de 50% a 60% da concentração de adultos.
Eriksson & Saltin39 observaram em crianças com média de idade de 11,6 anos uma concentração de glicogênio intramuscular por volta de 54 mmol/kg, e em crianças com média de idade de 12,6, 13,5, e 15,5 anos os níveis desse substrato energético foram de 70, 69 e 87 mmol/kg, respectivamente. Em outra investigação, Eriksson e cols.37 encontraram uma atividade de catálise cerca de 50% mais baixa para a enzima fosfofrutoquinase (PFK) em crianças pré-púberes, em relação ao observado em indivíduos adultos. Confirmando essa imaturidade glicolítica observada em crianças, é sabido que elas apresentam menor taxa de conversão do glicogênio muscular em lactato para refosforilação dos estoques limitados de ATP, durante atividades de caráter de predomínio tanto aeróbico quanto anaeróbico. Parte da explicação para essa reduzida atividade glicogenolítica muscular relaciona-se a menor liberação de epinefrina, o que pode estar associado com uma baixa atividade nervosa simpática, refletindo uma atenuada ativação da glicogenólise muscular por modificação covalente9.
A quantificação da influência dos aspectos maturacionais biológicos sobre o metabolismo energético infantil pode ser analisada por meio da espectroscopia por ressonância nuclear magnética de fósforo. Num elegante estudo, Zanconato e cols.40 verificaram que as crianças apresentam um menor aumento na relação entre fosfato inorgânico/creatina fosfato (Pi/PC) e menor diminuição do pH intramuscular, em relação ao observado em suas contrapartes adultas, sugerindo que a população pediátrica apresenta menor capacidade de ativação da refosforilação do ATP através das vias anaeróbias (alática e lática) durante o exercício físico de alta intensidade.
O metabolismo aeróbico, também denominado oxidativo, está relacionado diretamente com a capacidade dos tecidos metabolicamente ativos (musculatura esquelética) em atender às demandas de ATP do exercício, por meio das reações acopladas do ciclo de Krebs e da cadeia de transporte de elétrons que se processam nas mitocôndrias22. Os fatores que irão caracterizar uma alta capacidade oxidativa tecidual periférica são41: 1) maior quantidade das fibras musculares esqueléticas do tipo I; 2) maior densidade mitocondrial; 3) maior concentração e atividade de catálise das enzimas oxidativas e 4) maior densidade capilar.
Conforme abordado antes, diferentes estudos1,35,36 observaram em crianças um alto percentual de fibras do tipo I sugerindo maior capacidade oxidativa periférica em relação às suas contrapartes adultas. Em sua investigação, Haralambie42 verificou que as enzimas oxidativas do ciclo de Krebs (isocitrato desidrogenase, fumarase e malato desidrogenase) apresentam atividade de catálise exacerbada em crianças, quando comparadas aos adultos. No mesmo estudo, o autor observou uma diferença na razão da fosfofrutoquinase/isocitrato desidrogenase entre crianças e adultos (0,884 e 1,633, respectivamente), indicando maior taxa de oxidação do piruvato por parte da população pediátrica.
Utilizando os procedimentos da espectroscopia por ressonância nuclear magnética de fósforo, Zanconato e cols.40 sugeriram que crianças apresentam uma taxa elevada de fosforilação oxidativa durante exercícios intensos, atribuindo esse achado tanto à maior densidade capilar como à mitocondrial. No entanto, Bell e cols.43 encontraram uma relação entre volume mitocondrial e miofibrilar similar entre crianças pré-púberes e indivíduos adultos.
Rowland e cols.44, utilizando a análise dos gases expirados (ergoespirometria) como forma indireta de inferir a mistura de macronutrientes que está sendo metabolizada durante um exercício físico em ritmo estável (
As crianças, ainda em fase de crescimento, apresentam tanto as características morfológicas quanto as funcionais em processo de desenvolvimento. Muitas dessas características maturacionais-dependentes respondem de modo diferenciado ao estresse fisiológico induzido pelo exercício físico. É importante levarmos em consideração essas particularidades apresentadas pelo organismo infantil, em que o correto entendimento dos aspectos fisiológicos e metabólicos durante a realização do exercício físico é de suma importância para uma correta prescrição do treinamento físico. Dessa forma, um programa de treinamento físico para a população pediátrica merece atenção e cuidados em sua formulação.
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Danilo Marcelo Leite do Prado Av. Dr. Arnaldo, 455, Sala 4305 05403-900 – São Paulo, SP E-mail:
Recebido em 14/10/05
Aceito em 08/12/05
Instituto do Coração do Hospital das Clínicas – InCor, Faculdade de Medicina da Universidade de são Paulo - FMUSP - São Paulo, SP - Brazil
With the growing popularity and emphasis on the benefits of physical conditioning in children, it is important to understand the physiological aspects of exercise in the pediatric population. Children should not be seen as "miniature adults"1; they are unique and have singular traits at each phase of growth. Development of the skeletal muscle, nervous, and endocrine systems largely determines their physiological and metabolic limits under physical exertion1,2. Currently, there is a growing interest in research on growth and physiological development in children and adolescents, and consequently on the mechanisms involved in the cardiorespiratory and metabolic behavior of the pediatric population during physical exercise. In fact, certain authors2-5 attribute the different physiological and metabolic responses observed in children during physical exercise to their level of biological maturation, since as they grow, they also develop in almost all functional capacities.
In an elegant study carried out by Vinet et al3, it was noted that prepubertal children have the lower values of cardiac output at peak exercise when compared to young adults. As to cellular metabolism, several studies have observed that children have less efficient glycolytic activity during physical exercise compared to adults1,5-7. During the pubertal growth spurt, important hormones (somatotropin, growth factors similar to insulin, and sexual steroid hormones) are released into the blood stream1,2. There is an increase in lean body mass, and this change in body composition has a positive influence on the development of physical capacities and performance during puberty.
Therefore, several aspects of biological adaptations to exercise in children and adolescents should be considered. Which physiological alterations in response to exercise occur with age, when children and adolescents have the same absolute energy expenditure in performing their tasks? Are there significant differences in cardiovascular, ventilatory, and metabolic responses to different demands (submaximal or maximal) of exercise in the growing individual? (
We present various studies that show the possible morphofunctional mechanisms that characterize cardiovascular, ventilatory, and metabolic responsiveness during physical effort observed in children.
In cardiovascular parameters such as heart rate (HR), stroke volume (SV), cardiac output (Q), and the arterial-mixed venous O2 difference (a-v), the pediatric population has a distinct behavior both at the submaximal and maximal levels of effort relative to that observed in adult congeners. 2,3,8,9 Possible causes may be 1) smaller heart and blood volume2,3,8; 2) greater stimulation of peripheral chemoreceptors8; 3) lower levels of circulating catecholamines10; 4) lower responsiveness of beta-adrenergic receptors 11 and 5) difference in the adjustment of thermoregulation mechanisms12,13.
The heart rate, an important parameter utilized in the control of the intensity of physical training, shows an exacerbated response in children. 2,3,8,9,12 For Vinet et al3, this great chronotropic activity observed in children for a given work demand is due to a compensation mechanism related to a smaller heart volume, smaller blood volume, and subsequently, a smaller stroke volume (
Accordingly, studies comparing the chronotropic response in adult individuals for the same work demand found a greater heart rate for exercises performed by small muscle groups compared to those using large muscle groups14,15. Turley16, however, in his investigation to analyze the metaboreflex influence on chronotropism during isometric exercise, observed that the muscular metaboreflex influence on the chronotropic response is similar in children and adults.
For Bar-Or12, the greater chronotropism observed in children for a given submaximal exercise intensity may be partly related to differences in body temperature modulation. Children have a reduced evaporative capacity to dissipate body temperature since they depend more on convection and radiation12,13. The actual loss of heat by these routes (convection and radiation) increases the redistribution of blood flow to body surface area at the expense of the central blood volume, instigating a shift towards an increased heart rate (cardiovascular drift) in order to maintain a given cardiac output.
The stroke volume, i.e., the quantity of blood ejected from the left ventricle during a systole, shows curvilinear kinetics in children during progressive physical exercise3,9,17,18, which is the same behavior seen in adults19,20. In an important study using Doppler and bidimensional echocardiography, Rowland et al17, attributed this curvilinear profile (plateau) to several mechanisms. These mechanisms are 1) peripheral vasodilatation playing an important role in the initial SV rise (smaller after load); 2) increased heart rate with greater workloads, maintaining a stable SV (plateau) and left ventricular diastolic dimension and 3) a greater responsiveness in contractility (inotropism) helping to maintain the SV relative to the greater work loads.
For Nottin et al18, however, the curvilinear behavior observed in children is due to a combination of the pre-load, after load, and myocardial contractility. According to the authors,18 the main finding of this investigation was the fact that children and adults use similar mechanisms for SV adaptation in face of progressive physical exercise. In spite of similar SV kinetics between children and adults, the pediatric population shows an attenuated inotropic response, and consequently, lower resting and exercise (submaximal or maximal) values for SV in comparison to those observed in their adult congeners2,3,8,9 (
For Rowland et al9, the smaller SV observed in children both at rest and during physical exercise is closely related to morphological aspects (smaller cardiac volume and smaller blood volume) and not to functional aspects, in agreement with what had been postulated by other studies11,21. According to the authors, there are no indications that myocardial contractility is smaller in children and tends to increase with physical maturity. The authors came to this conclusion by observing identical values between children and adults for the systolic time interval (myocardial contractility marker) and left ventricular ejection fraction, quantified by means of echocardiography.
Cardiac output, the product of the heart rate by the stroke volume, may be defined as the volume of blood ejected from the left ventricle per minute22. In fact, this variable presents smaller values for all relative intensity levels of exercise in the pediatric population3,8,23 (
On the other hand, in cross-sectional studies Miyamura et al23, observed that the maximal cardiac output increased from 12.5 to 21.1 l/min in boys between ten and twenty years of age, respectively. According to Malina & Bouchard2, the dimensions of the heart increase over time until biological maturation along with body mass growth, and this enlargement is related to an elevation of both the stroke volume and cardiac output.
The arterial-mixed venous O2 difference may be defined as the difference in oxygen content between arterial and mixed venous blood22. This physiological variable reflects the efficiency of oxygen extraction peripherally by metabolically active tissues. In fact, for a given absolute submaximal exercise intensity (VO2), children present greater A-VO2 differences in order to compensate the smaller cardiac output compared to that of their adult counterparts2,8,24 (
In children exercising on an cycle ergometer, Koch26,27 observed greater muscular blood perfusion compared to that observed in adults for the same work demand. Nevertheless, for maximal levels of work, values in the pediatric population were lower3,9. Rowland et al9, observed smaller (a-v) O2 differences at peak exercise in children relative to those seen in adults, with results of 13.9 and 17.2 mL/100 mL, respectively. According to the authors9, this finding may be partly explained by the smaller oxygen concentration in arterial blood reflected by lower levels of circulating hemoglobin, as was observed in children2,8.
Volumes and static pulmonary capacities, as well as tidal volume, inspiratory reserve volume, expiratory reserve volume, forced vital capacity, residual pulmonary volume, and total lung capacity, including dynamic pulmonary volumes such as forced expiratory volume and maximal voluntary ventilation, provide signs of the progress and functional efficiency of the respiratory system growth of a child2. These volumes and capacities show accentuated changes with age, with an increase of all lung volumes until growth is completed2,22.
Changes in these volumes and capacities, however, correspond to changes in maximal ventilation that may be attained during exhaustive exercise; this maximal ventilation is called maximal expiratory ventilation (MVmax), or maximal minute ventilation22. For example, cross-sectional studies show that the mean MVmax is approximately 40 l/min for boys four to six years of age, and increases to 110 to 140 l/min at full maturity. These alterations are associated to the growth of the pulmonary system that accompanies the general patterns of growth in the child22. For Malina & Bouchard2, the increase in volumes and lung capacities, both static and dynamic, is intimately related to the child's growth in stature.
Minute ventilation (MV), i.e., the product of respiratory rate (RR) by the tidal volume (TV), can be defined as the volume of air dislocated by the lungs per minute22. In fact, ventilatory variables such as RR, TV, and MV are closely linked to the child's anthropometric characteristics, particularly body mass and stature28. In pre-puberal children, Rowland & Cunningham4 observed that with age, the RR shows a progressive drop and the TV shows a linear climb, stabilizing at physical maturity, both for a given submaximal and maximal work intensity.
When children are submitted to a given absolute submaximal intensity of exercise, for example 60 watts on a cycle ergometer, the intensity of the ventilatory response is exacerbated relative to that seen in adults, and progressively decreases with age2,4. Over a period of five years, Rowland & Cunningham4 noted a progressive decline in the ventilatory equivalent of oxygen (VE/VO2) variable, both for a given absolute submaximal intensity and for peak effort (
Part of the explanation for this poorer ventilatory efficiency seen in the pediatric population is related to the mechanics of ventilation. In fact, Lanteri & Sly29 found that, with the advancement of age, there is a progressive increase in lung tissue complacency and a decrease in resistance to air flow. On the other hand, Springer et al30, and Gratas-Delamarche et al31, attributed the lower ventilatory efficiency seen in children to neurohumoral mechanisms. According to these authors, children have a lower peripheral chemoreceptor set-point for modulation of arterial PCO2, resulting in exacerbated hyperpnea. These data are reflected by higher values of VE/VO2 for the same metabolic demand, compared to their adult counterparts.
For maximal workloads, however, children have smaller minute ventilation values. Rowland & Cunningham4 observed a positive correlation between the chronological age and the maximal minute ventilation. Prioux et al32, however, noted a direct relationship between an increase in lean body mass and maximal minute ventilation. Rutenfranz et al33, observed a positive relationship between stature and maximal minute ventilation in children eight to seventeen years of age.
There is no doubt that the higher values of MV at peak of exercise reached by the pediatric population with increasing age are related to the levels of somatic maturation, and show a direct association with the growth of the pulmonary system2,32,33.
The production of anaerobic energy is important, since many of the activities carried out by children involve explosions of energy expenditure or sprints, contrary to moderately intense activities maintained for longer periods2. A child's energy needs during exercise, therefore, cannot always be supplied by the predominance of oxidative properties in active muscular tissue, when anaerobic energy production mechanisms should kick in to allow these activities to be carried out.
In fact, the pediatric population has a smaller anaerobic capacity in comparison to that seen in adults1,2,5-7, and it is not possible to identify an isolated morphological, physiological, or biochemical factor that determines this lower performance capacity in anaerobiotic conditions. On the contrary, the lower anaerobic efficiency seen in children comes from the interaction of these factors. Possible explanations for this attenuated anaerobic capacity include 1) differences in the pattern of recruitment of motor units1,34; 2) differences in muscle fiber types1,35,36; 3) lower tissue levels of muscle glycogen1,37-39; 4) reduced activity of key glycolytic enzymes such as phosphofructokinase (PFK) and lactate dehydrogenase (LDH)1,2,6,7,38 and 5) reduced muscular glycogenolytic activity by covalent modification40. Evidence suggests that part of the improvement observed in the anaerobic performance in children as they grow is due to an increase in myelination of the motor cortex nervous fibers22, thus improving coordination and activation of motor units34.
In his study, Atomi et al35, observed that the percentage of oxidative (type I) muscle fiber area is larger in children before puberty, compared to that of glycolytic (type II) muscular fibers. Additionally, there is evidence in cross-sectional studies that children possess a higher percentage of oxidative muscle fibers than glycolytic muscle fibers relative to adults, suggesting the possibility of a growing participation of gycolytic fibers with age36. In another spectrum, studies37,38 have shown that tissue content of muscular glycogen in children is about 50% to 60% the concentration found in adults.
In children with an average age of 11.6 years, Eriksson & Saltin39 observed an intramuscular glycogen concentration of about 54 mmol/kg, and in children with average ages of 12.6, 13.5, and 15.5 years, the levels of this energetic substrate were 70, 69, and 87 mmol/kg, respectively. In another investigation, Eriksson et al37, found a catalytic activity approximately 50% lower for the phosphofructokinase (PFK) enzyme (PFK) in pre-puberal children compared to adults. Children have lower rates of muscular glycogen conversion into lactate for rephosphorylation of the limited ATP storage during aerobic and anaerobic activities, corroborating the glycolytic immaturity that has been observed in them. Part of the explanation for this reduced glycogenolytic activity is related to a lower release of epinephrine, which could be associated with low sympathetic nervous activity, implying an attenuated activation of muscle glycogenolysis by covalent modification9.
Quantification of the influence of biological maturational on a child's energy metabolism could be analyzed through phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectroscopy. In an elegant study, Zanconato et al40, noted that children present a smaller rise in the inorganic phosphate/creatine phosphate (Pi/PC) ratio and a smaller drop in the intramuscular pH compared to adult counterparts, suggesting that the pediatric population has a lower capacity for ATP rephosphorylation activation through anaerobic routes (alactic and lactic) during high intensity physical exercise.
Quantification of the influence of biological maturational on a child's energy metabolism could be analyzed through phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectroscopy. In an elegant study, Zanconato et al40, noted that children present a smaller rise in the inorganic phosphate/creatine phosphate (Pi/PC) ratio and a smaller drop in the intramuscular pH compared to adult counterparts, suggesting that the pediatric population has a lower capacity for ATP rephosphorylation activation through anaerobic routes (alactic and lactic) during high intensity physical exercise.
Aerobic metabolism, also called oxidative metabolism, is directly related to the capacity of metabolically active tissues (skeletal muscle) to supply exercise demands for ATP by means of the coupled reactions of the Krebs cycle and electron transport chain that are processed in mitochondria22. Factors that characterize a high peripheral tissue oxidative capacity are41 1) a greater quantity of type I skeletal muscle fibers; 2) a greater mitochondrial density; 3) a greater concentration and catalytic activity of oxidative enzymes and 4) a greater capillary density.
According to what was covered before, different studies1,35,36 have noted a high percentage of type I fibers in children suggesting a greater peripheral oxidative capacity compared to their adult counterparts. In his investigation, Haralambie42 observed that the oxidative enzymes of the Krebs cycle (isocitrate dehydrogenase, fumarase and malate dehydrogenase) showed exacerbated catalytic activity in children when compared to adults. In the same study, the author noted a difference in the phosphofructokinase/isocitrate dehydrogenase ratio between children and adults (0.884 and 1.633, respectively), indicating a greater oxidation rate of piruvate per part in the pediatric population.
Using procedures of phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectroscopy, Zanconato et al40, suggested that children have an high rate of oxidative phosphorylation during intense exercise, attributing this finding to both a greater capillary density and a greater mitochondrial density. Nevertheless, Bell et al43, identified a similar relationship between mitochondrial and myofibril volumes among pre-puberal children and adults.
Using the analysis of expired gases (indirect calorimetric) as an indirect form of inferring the mixture of macronutrients being metabolized during physical exercise at a stable rhythm (steady state)1, Rowland et al44, observed that for a given absolute submaximal intensity of exercise, pre-puberal children had significantly lower values of RER (respiratory exchange ratio) relative to adults. These data suggest that children are better adapted to utilization of fat as an energy-providing source during exercise at a stable rhythm, which could be associated with a greater metabolic apparatus, that is, greater mitochondrial density and greater concentration and activity of oxidative enzymes1,22.
While still in their period of growth, the morphological and functional characteristics of children are in a process of development. Many of these maturation-dependent characteristics respond in different ways to physiological stress induced by physical exercise. It is important to consider these singularities of the juvenile organism; a correct understanding of the physiological and metabolic aspects during physical exercise is of utmost importance for an appropriate prescription of physical training. In this way, a program of physical training for a pediatric population deserves attention and much care in its formulation.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
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Danilo Marcelo Leite do Prado Av. Dr. Arnaldo, 455, Sala 4305 05403-900 – São Paulo, SP - Brazil E-mail:
Received on 10/14/05
Accepted on 12/08/05
De fato, a população pediátrica apresenta menor capacidade anaeróbica em relação ao verificado em indivíduos adultos1,2,5-7, não sendo possível identificar um fator morfológico, fisiológico ou bioquímico isolado que determine essa menor capacidade de desempenho sob condições de anaerobiose. Pelo contrário, a menor eficiência anaeróbica observada em crianças advém da interação desses fatores, da qual algumas das possíveis explicações para essa atenuada capacidade anaeróbica são: 1) diferenças no padrão de recrutamento das unidades motoras1,34; 2) diferenças na tipagem das fibras musculares esqueléticas1,35,36; 3) níveis tissulares mais baixos de glicogênio intramuscular1,37-39; 4) reduzida atividade de catálise das enzimas glicolíticas-chave como a fosfofrutoquinase (PFK) e a lactato desidrogenase (LDH)1,2,6,7,38 e 5) reduzida atividade glicogenolítica muscular por modificação covalente40. Evidências sugerem que parte da melhoria observada no desempenho anaeróbico em crianças, à medida que crescem, deve-se ao aumento da mielinização das fibras nervosas no córtex motor22, melhorando desse modo a coordenação e ativação das unidades motoras34.