Koffein (auch Coffein oder veraltet Thein und Teein) ist ein Purin-Alkaloid und ein anregend wirkender Bestandteil von Genussmitteln wie Kaffee, Tee, Cola, Mate, Guarana, Energy Drinks und Schokolade. Es ist eines der ältesten, wirksamsten und am besten verträglichen Aufputschmittel. Koffein ist ein weißes geruchloses Pulver oder bildet hexagonale Prismen aus.
Auf Anregung Goethes untersuchte der Apotheker und Chemiker Friedlieb Ferdinand Runge Kaffeebohnen mit dem Ziel, die wirksame Substanz im Kaffee zu finden. 1820 gelang es Runge, erstmals aus den Kaffeebohnen reines Koffein zu isolieren. Er kann somit als Entdecker des Koffeins angesehen werden. Unabhängig von Runge gelang im Jahre 1821 den französischen Apothekern Pierre Joseph Pelletier, Joseph Caventou und Pierre Robiquet gemeinsam ebenfalls die Isolation des Koffeins. 1832 konnten Pfaff und Liebig mit Hilfe von Verbrennungsdaten die Summenformel C8H10N4O2 bestimmen. Die chemische Struktur wurde erst 1875 von Medicus als 1,3,7-Trimethylxanthin angenommen. Die vorerst nur angenommene Struktur konnte Emil Fischer 1895 durch die erste Synthese des Koffeins bestätigen. Der Wirkungsmechanismus wurde erst im letzten Jahrhundert erfolgreich erforscht.
Koffein ist ein Trivialname, der der Substanz mehr oder weniger willkürlich gegeben wurde. Nach der systematischen IUPAC-Nomenklatur würde die vollständige Bezeichnung 1,3,7-Trimethyl-2,6-purindion lauten, eine Kurzform 1,3,7-Trimethylxanthin ? nach der chemischen Ableitung des Koffeins vom Xanthin. Es gehört zur Gruppe der natürlich vorkommenden Purine, genauso wie die strukturähnlichen Dimethylxanthine Theophyllin und Theobromin.
Die Struktur des Koffeins besteht aus einem Doppelring, an dem sich außen mehrere Substituenten befinden. Dieser Doppelring im Kern entspricht der Grundstruktur des Purins. Er besteht aus zwei Ringen, einem 6er- und einem 5er-Ring, die jeweils zwei Stickstoff-Atome enthalten. Außen findet man an C-2 und C-6 jeweils ein doppelt gebundenes Sauerstoff-Atom. Beim Koffein hängt an N-1, N-3 und N-7 noch jeweils eine CH3-Gruppe. Dem Theophyllin fehlt von den drei Methylgruppen die an N-7, dem Theobromin fehlt die an N-1. Reines Koffein ist unter normalen Bedingungen ein weißes, geruchloses, kristallines Pulver. Der Geschmack ist bitter. Die Summenformel C8H10N4O2 ergibt eine molare Masse von 194,19 g/mol. Der Schmelzpunkt liegt bei 234?239 °C. Es ist leicht sublimierbar (ab 178 °C). Die Löslichkeit ist zum Teil stark temperaturabhängig :
| Löslichkeit des Koffeins: | |
|---|---|
| Wasser bei Normaltemperatur: | 1 g / 46 ml |
| Wasser bei 80 °C: | 1 g / 5,5 ml |
| Wasser, kochend: | 1 g / 1,5 ml |
| Ethanol bei Normaltemperatur: | 1 g / 66 ml |
| Ethanol bei 60 °C: | 1 g / 22 ml |
| Aceton: | 1 g / 50 ml |
| Chloroform: | 1 g / 5,5 ml |
Xanthinderivate wie das Koffein werden als schwache Base bezeichnet, da sie Protonen über ihre Stickstoffatome aufnehmen können. Dennoch sind Lösungen von Xanthinderivaten nicht alkalisch. Xanthinderivate werden zu den Alkaloiden gezählt. Darunter versteht man niedermolekulare, physiologisch wirksame Pflanzeninhaltsstoffe.
Koffein ist der Hauptwirkstoff des Kaffees. Außer in den Samen des Kaffeestrauchs kommt es auch in über 60 anderen Pflanzen, wie zum Beispiel dem Teestrauch, dem Matebaum und der Kolanuss vor. Die chemisch mit Koffein eng verwandten Wirkstoffe Theophyllin und Theobromin finden sich ebenso in zahlreichen Pflanzenspezies.
Produkte mit natürlichem Koffeingehalt
Den folgenden Produkten wird üblicherweise synthetisch erzeugtes Koffein beigemischt. Teilweise wird aber auch natürliches Koffein, gewonnen bei der Kaffee-Entkoffeinierung, verwendet. Besonders sogenannten Wellness-Produkten wird häufig natürliches Koffein als Guarana-Extrakt zugesetzt.
Koffein ist weltweit die am häufigsten konsumierte pharmakologisch aktive Substanz. Die Hauptwirkungen des Koffeins sind:
Koffein hat zwar ein relativ breites Wirkungsspektrum, doch ist es bei ?vernünftigen? Dosen in erster Linie ein Stimulans. Darunter versteht man im Allgemeinen eine Substanz mit erregender Wirkung auf die Psyche, die Antrieb sowie Konzentration steigert und Müdigkeitserscheinungen beseitigt. Bei niedrigen Dosen tritt fast ausschließlich diese zentral erregende Wirkung des Koffeins hervor, es werden also vor allem psychische Grundfunktionen wie Antrieb und Stimmung beeinflusst. Durch höhere Dosen kommt es auch zu einer Anregung von Atemzentrum und Kreislauf.
Ab einer Dosis von 150?200 mg zeigen sich deutlich erkennbare erregende Wirkungen auf das Zentralnervensystem. Während höhere Konzentrationen auch die motorischen Gehirnzentren beeinflussen, wirkt das Koffein in diesen geringen Konzentrationen hauptsächlich auf die sensorischen Teile der Hirnrinde. Es kommt zu einer Erhöhung des Gehirntonus, d.h. der Festigkeit der Hirngefäße. Aufmerksamkeit und Konzentrationsvermögen werden dadurch erhöht; die Steigerung von Speicherkapazität und Fixierung (mnestische Funktionen) erleichtert den Lernprozess; mit der Beseitigung von Ermüdungserscheinungen verringert sich das Schlafbedürfnis. Laut Forschern der Universität Zürich ist Koffein nicht wie bisher häufig angenommen für die Steigerung des Blutdrucks verantwortlich. Sowohl normaler als auch entkoffeinierter Kaffee erhöhten die Nervenaktivität. Die Stimmung kann sich bis zu leichter Euphorie steigern. In Folge von Assoziationsbahnung verkürzen sich die Reaktionszeiten, was zu einer Beschleunigung des psychischen Tempos führt. Gleichzeitig kommt es zu einer ? nur minimalen ? Verschlechterung der Geschicklichkeit, speziell bei Aufgaben, die exaktes Timing oder komplizierte visuomotorische Koordination erfordern. Das breite Wirkungsspektrum verdankt Koffein mehreren Wirkungskomponenten, die auf molekularer Ebene in bestimmte Zellvorgänge eingreifen. Das Koffein kann die Blut-Hirn-Schranke ungehindert passieren und entfaltet seine anregende Wirkung hauptsächlich im Zentralen Nervensystem. Im Wachzustand tauschen Nervenzellen Botenstoffe aus und verbrauchen Energie. Dabei entsteht Adenosin als Nebenprodukt.
Eine der Aufgaben des Adenosins besteht darin, das Gehirn vor ?Überanstrengung? zu schützen. Es setzt sich an bestimmte Rezeptoren auf den Nervenbahnen. Ist Adenosin angedockt, ist das ein Signal für die Zelle, etwas weniger zu arbeiten. Das ist ein Rückkopplungseffekt: Je aktiver die Nervenzellen, desto mehr Adenosin wird gebildet und desto mehr Rezeptoren werden besetzt. Die Nervenzellen arbeiten langsamer und das Gehirn ist vor ?Überanstrengung? geschützt. Das Koffein ist dem Adenosin in seiner chemischen Struktur ähnlich und besetzt dieselben Rezeptoren. Adenosin kann nicht mehr andocken, und die Nervenbahnen bekommen kein Signal ? deshalb arbeiten sie einfach weiter. Bei höheren Dosen verhindert Koffein den enzymatischen Abbau von cAMP (cyclischem Adenosin 3?,5? monophosphat). Dieses spielt im menschlichen Organismus als second Messenger eine wichtige Rolle bei der Hormonregulierung des Zellstoffwechsels. Koffein hemmt jene Enzyme, spezifische Phosphodiesterasen, die für den Abbau von cyclischem zu acyclischem AMP verantwortlich sind. So kommt es durch den gehemmten Abbau zu einem Anstieg von cAMP in den Zellen. Wenn Koffein den Abbau von cAMP einschränkt, hält die von cAMP verursachte Adrenalinausschüttung länger an. Koffein verhindert die beruhigende Wirkung des Adenosin und verlängert die Dauer der Adrenalinwirkung. Somit treten die oben beschriebenen Auswirkungen ein.
Wenn ein Mensch über längere Zeit hohe Dosen von Koffein zu sich nimmt, verändern sich die Nervenzellen. Sie reagieren auf das fehlende Adenosin-Signal und bilden mehr Rezeptoren aus. Jetzt können die Adenosin Moleküle wieder an den Rezeptoren gebunden werden. Die Nervenzellen arbeiten langsamer. Die anregende Wirkung des Koffeins ist also stark eingeschränkt. Man nennt dieses Phänomen ?Toleranz?. Bereits nach 6-15 Tagen starken Koffeinkonsums entwickelt sich eine derartige Toleranz. Wird der Koffeinkonsum stark verringert, können Entzugserscheinungen wie Kopfschmerzen, Übelkeit usw. auftreten. Meistens sind diese Symptome aber nur von kurzer Dauer. Die wissenschaftliche Literatur ist sich nicht darüber einig, ob Koffein wirklich ein Suchtmittel ist. Einerseits hat es einige Gemeinsamkeiten mit typischen Suchtmitteln, andererseits ist sein Suchtpotential so minimal, dass man es nicht als Suchtdroge bezeichnen kann. Die wichtigsten Eigenschaften, die Koffein mit anderen Suchtstoffen gemeinsam hat, sind Entwicklung von Toleranz, psychische und körperliche Abhängigkeit mit Entzugserscheinungen. Toleranz tritt bei nicht unbedingt übermäßigem, aber regelmäßigem Koffeingenuss auf.
Koffein in Genussmitteln, wie z.B. in Schwarztee oder Schokolade, kann insbesondere für Kinder nicht unproblematisch sein: so enthalten z.B. drei Dosen Cola und drei Schokoriegel etwa soviel Koffein, wie in zwei Tassen Kaffee enthalten sind (ca. 200 mg Koffein). Ein dreißig Kilogramm schweres Kind kommt somit auf eine Konzentration von 7 Milligramm pro Kilogramm Körpergewicht, eine Dosis, die ausreicht, Nervosität und Schlafstörungen zu verursachen. Eine günstige Wirkung des Koffeins besteht darin, daß es der alkoholbedingten Entzündung der Bauchspeicheldrüse entgegenwirkt.
Koffein steht auf der Dopingliste des Internationalen Olympischen Komitees. Allerdings sind die Grenzwerte so hoch, dass Sportler durchaus Kaffee zum Frühstück trinken können. Dennoch wurde am 25. Juli 2000 der spanische Radprofi Oscar Sevilla (Kelme) "positiv" auf Koffein getestet und daraufhin von seinem Verband von der Straßen-Weltmeisterschaft ausgeschlossen. Die Welt-Anti-Doping-Agentur hat mit Wirkung zum 1. Januar 2004 das Stimulans Koffein von der Liste der verbotenen Substanzen gestrichen.
Der orale LD50 für eine Ratte liegt bei 381 Milligramm pro Kilogramm. Bei Menschen wird die letale Dosis bei etwa 100 Tassen Kaffee eingeordnet. Bei Überdosierung können Kohletabletten, Verapamil und Diazepam gegeben werden. In sehr hoher Konzentration (ab etwa 10 mM im Zellaußenraum) setzt Koffein Kalzium aus dem endoplasmatischen Retikulum frei. Das geschieht durch seine spezifische Bindung an Ryanodin-Rezeptoren. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Koffein in der physiologischen Forschung verwendet. Die benötigte Dosis übersteigt die letale Dosis von Säugetieren bei weitem, deshalb wird Koffein nur bei in vitro-Experimenten eingesetzt.
Der Metabolismus von Koffein ist Spezies-spezifisch. Bei Menschen wird etwa 80 % des aufgenommenen Koffeins zu Paraxanthin demethyliert und weitere ca. 16 % werden in der Leber zu Theobromin und Theophyllin umgesetzt. Durch weitere partielle Demethylierung und Oxidation entstehen Urat- und Uracilderivate. Aus dem Urin können etwa ein Dutzend unterschiedlicher Koffein-Metaboliten extrahiert werden, aber weniger als 3 % des ursprünglich aufgenommenen Koffeins. Die Hauptausscheidungsprodukte im Urin sind Di- und Monomethylxanthin sowie Mono-, Di und Trimethylharnsäure.
Die Pharmakokinetik von Koffein hängt von vielen inneren und äußeren Faktoren ab. Die Absorption von Koffein über den Gastrointestinaltrakt in die Blutbahn erfolgt sehr rasch und nahezu vollständig: ca. 45 Minuten nach der Aufnahme ist praktisch das gesamte Koffein aufgenommen und steht dem Stoffwechsel zur Verfügung (Bioverfügbarkeit: 90?100 %). Mit kohlensäurehaltigen Getränken wird Koffein sogar noch rascher aufgenommen. Die maximale Plasmakonzentration wird 15 bis 20 Minuten nach der Aufnahme des Koffeins erreicht. Die Verabreichung von 5?8 mg Koffein/kg Körpergewicht resultiert in einer Plasma-Koffeinkonzentration von 8?10 mg/l. Die biologische Halbwertszeit von Koffein im Plasma beträgt zwischen 2,5 und 4,5 Stunden (andere Quellen sprechen von 3?5 h) bei gesunden Erwachsenen. Dagegen erhöht sich die Halbwertszeit auf im Mittel 80 Stunden (36?144 h) bei Neugeborenen und auf weit über 100 Stunden bei Frühchen. Bei Rauchern reduziert sich die Koffein-Halbwertszeit um 30 bis 50 %, während sie sich bei Frauen, die orale Verhütungsmittel einnehmen, verdoppelt. Bei Frauen, die sich im letzten Trimester der Schwangerschaft befinden, steigt sie auf 15 Stunden an. Ferner ist bekannt, dass das Trinken von Grapefruitsaft vor der Koffeinzufuhr die Halbwertszeit des Koffeins verlängert, da der Bitterstoff der Grapefruit die Metabolisierung des Koffeins in der Leber hemmt.
Nach neuesten Erkenntnissen ist die Mischung von Alkohol und Koffein auch ein gutes Mittel zur Behandlung von Schlaganfällen. Der Mediziner James Grotta von der Universität Texas in Houston spritzte zusammen mit Kollegen insgesamt 23 Patienten die Caffeinol genannte Wirkstofflösung und konnte eine gute Heilung der durch den Schlaganfall hervorgerufenen Schäden feststellen.