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1,3,7-Trimethylxanthin: Koffein – was es ist, was es tut und was Goethe damit zu tun hat

1,3,7-Trimethylxanthin: Koffein – was es ist, was es tut und was Goethe damit zu tun hat

Kaffee, Energy-Drinks, Cola, Mate, Tee, Guaraná, und sogar Kakao – die Liste koffeinhaltiger Genussmittel ist lang. Koffein ist preiswert und das am häufigsten konsumierte, legale „Aufputschmittel“. Doch was genau macht uns morgens wach, holt uns mittags aus dem Müdigkeitstief und abends aus der Schläfrigkeit? Und vor allem: wie wirkt es und was macht es mit unserem Körper?

Goethe und die mysteriöse Substanz

Bereits im frühen 19. Jahrhundert gelang verschiedenen Apothekern unabhängig voneinander die Isolation des Koffeins aus Kaffeebohnen. Kaum zu glauben: angetrieben von seinem naturwissenschaftlichen Interesse war es der deutsche Dichter Goethe, der den Chemiker Runge damals im Jahr 1820 dazu veranlasste, den in Kaffebohnen enthaltenen belebenden Stoff ausfindig zu machen. Obwohl Runge heute als Entdecker des Koffeins gilt, hatte auch das Forschertrio um PelletierCaventou und Robiquet im darauffolgenden Jahr Erfolg mit der Isolation des Koffeins. Auch die Summenformel und chemische Struktur konnten im Verlauf des 19. Jahrhunderts ermittelt werden, doch dem Wirkungsmechanismus des Koffeins kam man erst im 20. Jahrhundert auf die Schliche.

Verwandtschaft mit Morphin? – Die Chemie des Koffeins

Chemisch gesehen gehört Koffein der Klasse der Alkaloide an, zu der u.a. auch Morphin zählt, und die sich gemeinschaftlich durch ihre direkte Wirkung auf Organismen auszeichnet. Diese ist zwar für Menschen in der Regel nicht lebensbedrohlich, doch als Insektizid in Pflanzen betäubt oder tötet Koffein ungeliebte Insekten. Innerhalb der Alkaloide wird Koffein der Stoffgruppe der Xanthine (Purinalkaloide) zugeordnet, eine Gruppe natürlich vorkommender chemischer Verbindungen, zu der auch Theopyhllin zählt, das oftmals mit Teeblättern in Verbindung gebracht wird (von lat. thea ‚Tee‘ und altgr. phýllon ‚Blatt‘).

Verwandtschaft also sowohl zum Schmerzmittel Morphin als auch zum gern getrunkenen, harmlosen Tee? Interessant ist in der Tat, dass das im Volksmund oftmals als Wirkstoff von Tee betitelte Tein (auch Thein) eigentlich nur eine andere Bezeichnung für das belebende Koffein ist. So enthält schwarzer Tee beispielsweise bis zu 3,5 % des Wachmachers. Aber was macht nun wacher? Kaffee oder schwarzer Tee? Fest steht, dass das Koffein im Kaffee schnell wirkt, da es an einen Komplex gebunden ist, der Koffein freisetzt, sobald er mit Magensäure in Kontakt kommt. Über den Magen-Darmtrakt erfolgt eine rasche und fast vollständige Aufnahme des Koffeins in die Blutbahn, das dem Stoffwechsel nach rund einer Dreiviertelstunde zur Verfügung steht. Kohlensäurehaltige Koffein-Getränke wie beispielsweise Energy-Drinks ermöglichen sogar eine noch schnellere Resorption des Koffeins. Das teeeigene Koffein hingegen ist chemisch anders gebunden und wird erst im Darm freigesetzt: die Wirkung setzt zwar „verspätet“ ein, hält aber länger an. Als geruchloses, weißes Pulver liegt Koffein in seiner Reinform kristallin vor und weist einen bitteren Geschmack auf, den so mancher von uns im Alltag oftmals mit Zucker oder alternativen Süßmitteln abmildert.

Koffein
Strukturformel Koffein

Breites Wirkungsspektrum – was Koffein mit unserem Körper macht

Und was passiert, wenn das Koffein erst einmal im Körper ist? Über Koffein und seinen Wirkungsgrad scheiden sich die Geister. So stand Koffein im vergangenen Jahrzehnt bis 2004 sogar auf der Dopingliste des Internationalen Olympischen Komitees, wenn auch mit hohen zulässigen Maximalgrenzwerten.

Fest steht jedoch, dass es als stimulierende, psychotrope Substanz die Psyche (Antrieb und Stimmung) und das Bewusstsein (Konzentration, Aufmerksamkeit, Reaktionsvermögen und Wachheitszustand) des Menschen auf anregende Weise beeinflusst. Koffein wird daher auch als pharmakologisch aktiv, d.h. als ein Stoff, der mit Lebewesen im Allgemeinen wechselwirkt, bezeichnet. So kann Koffein fast ungehindert die Blut-Hirn-Schranke, eine Barriere zwischen dem Blutkreislauf und dem zentralen Nervensystem, passieren und so recht schnell seine Wirkungen entfalten.

Dabei ist das Spektrum der verschiedenen Wirkungen auf den menschlichen Organismus breit: Koffein bewirkt eine Anregung des zentralen Nervensystems sowie eine Steigerung der Kontraktionskraft des Herzens. Der Puls, d.h. die Herzfrequenz, erhöht sich und die Bronchien der Lunge weiten sich – kurzum: der Sympathikus des vegetativen Nervensystems, der für Anregung des Körpers jeglicher Art zuständig ist, wird gefordert. Blutgefäße im Gehirn verengen sich, während sie sich in der Peripherie erweitern. Neben einer geringfügigen Erhöhung des Blutdrucks wird Koffein zudem eine schwach harntreibende sowie die Darmperistaltik (Muskelbewegung des Darms) anregende Wirkung zugeschrieben.

In geringen Konzentrationen hat Koffein überwiegend Einfluss auf die Sensorik (Wahrnehmung), während es in hohen Konzentrationen auch die Motorik (Bewegung) beeinflusst. Also alles positiv? Nun ja, minimale Einbußen in der Geschicklichkeit, vor allem im Bereich der Visuomotorik, also der Koordination von visueller Wahrnehmung und dem Bewegungsapparat, müssen in Kauf genommen werden.

Wolf im Schafspelz“: Koffein und sein Wirkungsmechanismus

Welche Prozesse aber laufen im Detail in unserem Körper ab, wenn wir Koffein zu uns nehmen? Zoomen wir hierzu in die zelluläre Ebene unseres Nervensystems: Unter Energieverbrauch tauschen die Neuronen (Nervenzellen) im Wachzustand Botenstoffe aus, wobei Adenosin entsteht, dessen Aufgabe vor allem der Schutz des Gehirns vor Überbelastung ist. Bindet Adenosin an speziell hierfür vorhandene Adenosinrezeptoren auf den leitenden Nervenbahnen, wird den Nervenzellen signalisiert, weniger schnell zu „feuern“, wobei sich die Syntheserate von Adenosin mittels eines Rückkopplungseffektes bei steigender Nervenzellaktivität erhöht. So weit so gut. Wie gelingt es dem Wachmacher nun aber in diesen natürlich regulierten Mechanismus einzugreifen?

Koffein ist ein Wolf im Schafspelz, denn in seiner chemischen Struktur ähnelt es dem Adenosin und bindet obendrein an dessen Rezeptoren. Der Clou daran ist jedoch, dass Koffein als Antagonist eine inhibierende (hemmende) Wirkung auf die Rezeptoren hat und diese, anders als das Adenosin, inaktiv hält. Weggegangen, Platz vergangen – an die vom Koffein besetzten Rezeptoren kann Adenosin nun nicht mehr andocken und das entschleunigende Signal an die Nervenbahnen bleibt folglich aus. Obgleich sich die Adenosinkonzentration stetig erhöht, arbeiten die Nervenzellen unermüdlich weiter.

Doch damit nicht genug. Koffein verhindert zudem in höheren Dosen den durch das Enzym Phosphodiesterase erfolgenden Abbau von cAMP (cyclisches Adenosin-Monophosphat) zu nicht-cyclischem AMP. Die Folge ist ein Konzentrationsanstieg von cAMP in den Nervenzellen. Um verstehen zu können, welche Konsequenzen sich aus diesem Anstieg der cAMP-Konzentration für unseren Organismus ergeben, müssen wir die Funktion des sekundären Botenstoffes (second messenger) cAMP einmal genauer betrachten. Zunächst aktiviert cAMP spezielle Enzyme (Proteinkinasen A = PKA), die u.a. dafür sorgen, dass Calcium-Ionenkanäle in den Zellmembranen phosphorylisiert, d.h. mit Phosphat beladen, werden. Diese Phosphorylisierung der Calcium-Ionenkanäle wiederum bewirkt eine Öffnung der selbigen und ein Einströmen von Calcium-Ionen in die Zellen. Änderungen der intrazellulären Calcium-Ionen-Konzentration beeinflussen letztlich neben anderen physiologischen Prozessen die Erregung von Nerven sowie die Kontraktion von Muskeln über elektromechanische Kopplung (Muskelkontraktion infolge eintreffender Aktionspotentiale). Koffein nimmt also in zweierlei Hinsicht aktiv Einfluss auf physiologische Prozesse unseres Körpers.

Schwarz-braune Färbung durch Zuckerkulör in einer Cola
Koffein in Cola – Eine der wohl meist konsumierten Varianten von Koffein

Koffein als Heiler und Schönmacher?

Längst findet Koffein nicht mehr nur als Substanz in Genussmitteln Verwendung. Schon gewusst? Kaffe mit einem Schuss Zitronensaft ist ein altes Hausmittel gegen Kopfschmerzen, da die Inhaltsstoffe Koffein und Zitronensäure schmerzauslösende Enzyme blockieren sollen. In der Tat: die Kombination aus Koffein und Vitamin C ist in vielen Schmerzmitteln, z.B. in denen zur Migränebehandlung, als Wirkungsbeschleuniger enthalten. Der Arzneistoff Coffeincitrat wird zudem bei der Behandlung von Atemstillständen bei Neugeborenen eingesetzt.

Was hat es aber nun mit der schmerzhemmenden Wirkung des Koffeins auf sich? Um dies klären zu könne, wenden wir uns nochmals dem uns bereits bekannten Adenosin zu. Dieses kann bei entsprechender Rezeptorbindung nämlich nicht nur entschleunigend auf das zentrale Nervensystem wirken, sondern zudem eine schmerzerzeugende Wirkung an den sensorischen (zur Reizwahrnehmung befähigten) Nervenendungen entfalten und damit eine Schmerzüberempfindlichkeit auslösen. Koffein wirkt auch hier wieder als Antagonist (Gegenspieler) des Adenosins, indem es dessen Rezeptoren „belegt“ und die Wirkung des Adenosins damit hemmt. Doch mit der Schmerzbehandlung nicht genug. Sogar die Kosmetik macht sich die Wirkungen des Koffeins zunutze: So sollen Koffein-Shampoos- und Tinkturen dem Haarausfall durch Förderung des Haarwuchses entgegenwirken und koffeinhaltige Hautcremes Cellulite vorbeugen.

Toleranz, Entzugserscheinungen und Wechselwirkungen

Und wie steht es mit der Gewöhnung an Koffein? Stellt sich unser Körper auf langfristigen Koffeinkonsum ein und gibt es so etwas wie Entzugserscheinungen? Ohne Frage! Erhöhter Koffeinkonsum bewirkt im Schnitt nach ein bis zwei Wochen eine Veränderung der Nervenzellen. Diese entwickeln gewissermaßen eine Toleranz und reagieren auf das fehlende Adenosin-Signal mit einer vermehrten Rezeptor-Ausbildung, sodass wieder mehr Adenosin-Moleküle an die entsprechenden Rezeptoren binden und ihre entschleunigende Wirkung auf das Nervensystem entfalten können. Symptome, die auf einen Koffeinentzug hindeuten, sind meist auf kurze Zeit begrenzt und äußern sich sowohl physisch in Form von Kopfschmerzen, Übelkeit u.Ä. als auch psychisch durch Erschöpfung, reduzierte Wachsamkeit, Konzentrationsstörungen sowie Reizbarkeit und verminderte Zufriedenheit.

Ein Zuviel an Koffein – geht das? Generell können Überdosierungen auch bei Koffein auftreten und sind meist von einer allgemeinen Erregung sowie einem stark beschleunigten Puls unter Auftreten von  Extrasystolen, also Herzschlägen außerhalb des normalen Herzrhythmus, begleitet. Von Überdosierungen spricht man bei Koffeindosen von über 1 g, das entspricht durchschnittlich 12,5 Dosen Energy-Drink à 250 ml (also über 3 Liter).

Als psychotrope Substanz weist Koffein zudem Wechselwirkungen mit einigen Arzneistoffen auf. Dabei wirkt es einerseits besonders allgemein beruhigenden Wirkstoffen entgegen. Andererseits kommt es im Zusammenspiel mit unterschiedlichen Medikamenten entweder zu einem reduzierten oder aber beschleunigten Koffeinabbau im Körper.

Eine Substanz, unterschiedliche Reaktionen – verantwortungsbewusster Koffeinkonsum

Ist Koffein nun für jeden Menschen unbedenklich? Keinesfalls. Besonders Personen mit Herzrhythmusstörungen, Lebererkrankungen, einer Schilddrüsenüberfunktion oder Angstsyndromen sollten Koffein mit Vorsicht genießen. Auch Schwangeren wird ein verantwortungsbewusster Koffeinkonsum dringend nahe gelegt. Nicht zuletzt sollte Kindern aufgrund ihrer geringen Körpergröße, ihres noch geringen Körpergewichtes und ihres noch nicht vollends ausgeprägten Stoffwechsels die Einnahme von Koffein verwehrt werden. Auch unterscheiden sich die Halbwertszeiten des Koffeins, also die Zeiten, nach denen die Hälfte des Koffeins im Organismus abgebaut ist, von Mensch zu Mensch. Während sie sich bei Rauchern bis auf die Hälfte reduzieren, es also zu einem schnelleren Abbau kommt, verdoppeln sie sich bei Frauen, die orale Verhütungsmittel einnehmen. Bei ihnen läuft der Abbauprozess des Koffeins also weitaus langsamer ab – bei hochschwangeren Frauen erfolgt der Koffeinabbau sogar sechsmal langsamer; die Halbwertszeit des Koffeins beträgt in diesen Fällen bis zu 15 Stunden. Übrigens: die Bitterstoffe in Grapefruitsaft sollen zu einer Verlängerung der Halbwertszeit des Muntermachers beitragen, indem die Metabolisierung (Verstoffwechselung) des Koffeins in der Leber, dem zentralen Organ des Stoffwechsels, gehemmt wird.

Fazit

Fakt ist, dass Koffein längst mehr ist als ein bloßer Wirkungsstoff in Genussmitteln wie Kaffe, Energy-Drinks und Cola. Mit zunehmendem Wissen über seine Wirkungsmechanismen, fand es mehr und mehr Einzug in verschiedene andere Lebensbereiche, die es mit seinen positiven Effekten verbessern und angenehmer gestalten soll. Als psychotrope Substanz bleibt es dennoch ein Stoff, dessen Konsum verantwortungsbewusst erfolgen sollte, denn nicht jeder reagiert in gleichem Maße auf den Wachmacher.

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