Кофеин

Кофеин — это алкалоид пуринового ряда, бесцветное или белое кристаллическое вещество горьковатого вкуса, обладающее психостимулирующим действием. Относится к группе ксантинов. В чистом виде представляет собой белые игольчатые кристаллы или кристаллический порошок без запаха. Является наиболее распространённым в мире психоактивным веществом, легально употребляемым в составе напитков (кофе, чай, мате, гуарана, кола) и продуктов питания, а также в фармакологических препаратах.

История

История употребления кофеина насчитывает несколько тысячелетий. Первые документальные свидетельства употребления напитков, содержащих кофеин, относятся к Древнему Китаю (чай) и Африканскому рогу (кофе). Согласно легенде, стимулирующие свойства кофейных зёрен были открыты эфиопским пастухом Калди около IX века, заметившим необычную активность коз после поедания плодов кофейного дерева.

В XV–XVI веках кофе распространился по Ближнему Востоку, а затем через торговые пути попал в Европу. Чай, известный в Китае с III века до н. э., стал массово импортироваться в Европу в XVII веке. В 1819 году немецкий химик Фридрих Фердинанд Рунге впервые выделил кофеин в чистом виде из кофейных зёрен. В 1821 году французские химики Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенеме Каванту также получили кофеин, а в 1827 году из чайных листьев был выделен теин, который впоследствии был идентифицирован как то же самое вещество. Структура кофеина была установлена Германом Эмилем Фишером, который в 1895 году впервые осуществил его полный химический синтез.

Химические и физические свойства

Химическая структура

Кофеин (1,3,7-триметилксантин) является производным ксантина. Его молекулярная формула — C₈H₁₀N₄O₂. Молекула состоит из двух конденсированных гетероциклических колец — пиримидинового и имидазольного, к атомам азота которых присоединены три метильные группы. Близкими по структуре веществами являются теофиллин (1,3-диметилксантин) и теобромин (3,7-диметилксантин), также обладающие стимулирующим действием.

Физические свойства

Кофеин представляет собой белые кристаллы или кристаллический порошок. Температура плавления — 236 °C. Вещество умеренно растворимо в холодной воде (2 г/100 мл при 20 °C), хорошо растворимо в горячей воде и органических растворителях (хлороформ, дихлорметан). При нагревании возгоняется (переходит из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое). Водные растворы кофеина имеют нейтральную реакцию.

Механизм действия и фармакология

Метаболизм в организме

После перорального приёма кофеин быстро и практически полностью всасывается в желудочно-кишечном тракте. Максимальная концентрация в плазме крови достигается через 30–60 минут. Период полувыведения у взрослых здоровых людей составляет в среднем 3–5 часов, однако может значительно варьировать в зависимости от индивидуальных особенностей метаболизма, возраста, приёма лекарств и курения. Метаболизм кофеина происходит преимущественно в печени при участии ферментов системы цитохрома P450 (CYP1A2). Основными метаболитами являются параксантин, теофиллин и теобромин, которые выводятся с мочой.

Основной механизм

Кофеин является антагонистом аденозиновых рецепторов (A₁, A₂A, A₂B, A₃) в центральной нервной системе. Аденозин — нейромодулятор, который в норме накапливается в мозге в течение дня, вызывая сонливость и угнетение активности нейронов. Блокируя аденозиновые рецепторы, кофеин предотвращает развитие торможения, что приводит к повышению возбудимости коры головного мозга, усилению процессов внимания и снижению субъективного ощущения усталости.

Влияние на организм

В терапевтических дозах кофеин оказывает следующие эффекты:

• Психостимулирующий: повышение умственной и физической работоспособности, ускорение реакции, уменьшение сонливости.
• Сердечно-сосудистый: умеренное повышение частоты сердечных сокращений и артериального давления (особенно у лиц, не употребляющих кофеин регулярно).
• Диуретический: слабое мочегонное действие, связанное с увеличением почечного кровотока и подавлением реабсорбции натрия.
• Бронхорасширяющий: расслабление гладкой мускулатуры бронхов (эффект наиболее выражен у теофиллина).
• Стимуляция секреции желудочного сока: повышение кислотности желудка.

Источники и содержание в продуктах

Основные природные источники кофеина — растения, в которых он выполняет функцию природного пестицида, защищая листья и семена от насекомых. К таким растениям относятся:

• Кофейное дерево (Coffea): зёрна содержат 1–2% кофеина.
• Чайный куст (Camellia sinensis): листья содержат 2–4% кофеина (в пересчёте на сухую массу).
• Мате (Ilex paraguariensis): листья содержат 0,7–2% кофеина.
• Гуарана (Paullinia cupana): семена содержат 2–8% кофеина.
• Кола (Cola acuminata): орехи содержат около 2% кофеина.
• Какао (Theobroma cacao): бобы содержат небольшое количество кофеина (около 0,1%), основным алкалоидом является теобромин.

Содержание кофеина в популярных напитках (приблизительные значения):

• Чашка фильтрованного кофе (200 мл): 80–120 мг
• Эспрессо (30 мл): 50–70 мг
• Чашка чёрного чая (200 мл): 30–50 мг
• Чашка зелёного чая (200 мл): 20–40 мг
• Баночка колы (330 мл): 30–40 мг
• Энергетический напиток (250 мл): 80–150 мг

Применение

В медицине

В фармакологии кофеин используется как стимулятор центральной нервной системы. Основные показания к применению:

• Умственное и физическое переутомление, снижение работоспособности.
• Синдром пониженного артериального давления (гипотония).
• Мигрень (в комбинации с анальгетиками, например, в препаратах «Цитрамон»).
• Угнетение дыхания (например, при отравлении опиоидами или барбитуратами).

Кофеин входит в состав многих комбинированных обезболивающих средств, так как усиливает действие нестероидных противовоспалительных препаратов.

В пищевой промышленности

Кофеин добавляется в безалкогольные напитки (энергетики, колы), жевательную резинку, кондитерские изделия и спортивное питание в качестве тонизирующего компонента.

Побочные эффекты и безопасность

Острая интоксикация

Употребление чрезмерных доз кофеина (более 400–600 мг одномоментно для взрослого человека, не имеющего толерантности) может вызвать острую интоксикацию. Симптомы включают:

• Беспокойство, тревогу, ажитацию.
• Тремор конечностей.
• Тахикардию, аритмию.
• Бессонницу.
• Головную боль.
• Желудочно-кишечные расстройства (тошнота, диарея).

Летальная доза кофеина для взрослого человека составляет около 10 граммов (примерно 100 чашек крепкого кофе), однако смертельные случаи редки и обычно связаны с приёмом чистого кофеина в виде порошка или таблеток.

Хроническое употребление

Регулярное потребление кофеина формирует физическую зависимость. При резком прекращении приёма развивается синдром отмены, характеризующийся головной болью, утомляемостью, раздражительностью, сонливостью и снижением концентрации внимания. Симптомы обычно появляются через 12–24 часа после последнего приёма и могут длиться до 9 дней.

Риски для здоровья

Умеренное потребление кофеина (до 400 мг в сутки для взрослых, что соответствует 3–4 чашкам кофе) считается безопасным для большинства здоровых людей. Однако существуют группы риска:

• Беременные женщины: рекомендуется ограничить потребление до 200 мг в сутки, так как кофеин проникает через плаценту и может замедлять рост плода.
• Лица с сердечно-сосудистыми заболеваниями: кофеин может провоцировать аритмии и повышать артериальное давление.
• Дети и подростки: потребление кофеина не рекомендуется из-за возможного влияния на развивающуюся нервную систему и нарушение сна.
• Лица с тревожными расстройствами: кофеин может усиливать симптомы тревоги.

Кофеин в культуре и обществе

Кофеин является неотъемлемой частью повседневной жизни миллиардов людей. Напитки, содержащие кофеин, выполняют важные социальные и культурные функции. Кофе и чай — традиционные напитки для общения, деловых встреч и отдыха. Энергетические напитки получили широкое распространение среди молодёжи и лиц, занятых физическим или умственным трудом, требующим повышенной концентрации.

В России, согласно данным исследований, кофе является одним из самых популярных тонизирующих напитков, а чай традиционно занимает важное место в национальной культуре потребления. Регулирование содержания кофеина в продуктах осуществляется в рамках технических регламентов Таможенного союза (ТР ТС 021/2011 «О безопасности пищевой продукции»), устанавливающих предельно допустимые уровни содержания кофеина в напитках.

Источники

• Фармакология: учебник / под ред. Р. Н. Аляутдина. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
• Химическая энциклопедия: в 5 т. / гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2.
• Fredholm B. B. et al. Actions of caffeine in the brain with special reference to factors that contribute to its widespread use // Pharmacological Reviews. — 1999. — Vol. 51, № 1.
• EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies. Scientific Opinion on the safety of caffeine // EFSA Journal. — 2015. — Vol. 13, № 5.
• Методические рекомендации МР 2.3.1.0253-21 «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации». — М.: Роспотребнадзор, 2021.