Koffein (Trimethylxanthin)

Wirkstoff in vielen Pflanzen, z.B. Kaffee, Tee, Guarana. Anwendung: wird als Kaffee, Tee, Cola, Energy-Drink getrunken oder als Tabletten geschluckt. Wirkung: anregend, blutdrucksteigernd. Bei Dauerhaftem Konsum kann sich Abhängigkeit herausbilden. So sagen knapp 30% der Kaffeetrinker, sie könnten darauf nicht verzichten. Koffein ist auch eine pharmakologisch wirksame Substanz und lässt als Stimulans Rezeptoren reagieren mit dem sensorischen Effekt, dass man sich wacher fühlt. Der Körper hat für sämtliche Substanzen, die von außen kommen, Abbausysteme, um den Normalzustand des Organismus wiederherzustellen, wobei für Koffein das Enzymsystem Cytochrom P450 1A2 zuständig ist. Es ist eines von zwei Dutzend Regulierungprogrammen im Körper denn würde Koffein nicht abgebaut werden können, wäre man mit einer Dosis Koffein für immer wach. Allerdings können die verantwortlichen Enzymsysteme von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich sein, d. h., wie stark ausgeprägt CYP 1A2 ist, hängt von der genetischen Grundkonstellation ab. Durch diese genetischen Unterschiede (Polymorphismen) kann die Aktivität des Enzyms zwischen zehn und zweihundert Prozent schwanken, d. h., Menschen mit hoher Enzymaktivität (Fast Metabolizer) bauen den Kaffee so schnell ab, dass das Koffein scheinbar kaum Wirkung hat, während andere (Slow Metabolizer) das Koffein und seine Wirkung viel länger im Körper behalten. Allerdings gewöhnen sich unabhängig vom Abbau des Koffeins die Rezeptoren im Körper an hohe Dosen von Koffein und die stimulierende Wirkung nimmt ab. Zudem macht Koffein in einem milden Ausmaß auch abhängig, was sich an den Entzugserscheinungen zeigt, die nach dauerhaft starkem Konsum bei Koffeinverzicht auftreten, etwa Kopfweh, allgemeine Mattigkeit oder Gereiztheit. Zudem unterliegt der menschliche Körper zirkadianen Rhythmen, d. h., ein Kaffee in der Früh kann eine andere Wirkung haben als ein Kaffee am Abend, weil der allgemeine Erregungszustand über den Tag variiert. Auch Menschen, die rauchen, bauen Koffein schneller ab, daher können Raucher mehr Kaffee trinken bzw. Raucher brauchen mehr Kaffee, um die aufputschende Wirkung zu spüren. Das CYP1A2-Abbausystem stoppen und damit den Kaffee in seiner Wirkung verstärken können übrigens theoretisch Grapefruitsaft oder Johanniskraut.

Koffein beeinflusst das Gehirn in dreifacher Weise, denn das Abbauenzym Nukleotidphosphodiesterase wird gehemmt, wodurch vermehrt der Botenstoff cAMP entsteht, was die Wirkung von Adrenalin verlängert und verstärkt, die Rezeptoren für Adenosin im Gehirn werden blockiert, die sonst das Gefühl von Müdigkeit auslösen würden, und zwischen den Körperzellen gespeichertes Kalzium wird mobilisiert. Die wesentliche Wirkung von Koffein besteht somit darin, dass es den körpereigenen Stoff Adenosin blockiert, das seinerseits die Ausschüttung anregender Neurotransmitter wie Dopamin und Adrenalin hemmt. Wird das Adenosin durch Koffein gehemmt, so kursieren also mehr anregende Hirnbotenstoffe im Körper, was dazu führt, dass Menschen wacher werden. Allerdings vergrößern diese Substanzen ziemlich schnell den Querschnitt der Blutgefäße und Atemwege, sodass Kaffee zunächst den Blutdruck und die Atemfrequenz senkt und erst 15 bis 20 Minuten später das Gehirn unter Hochspannung setzt, sodass Kaffee unmittelbar vor dem Einschlafen das Einschlafen fördert. Kaffee macht demnach in der ersten halben Stunde müde, nachdem man Kaffee getrunken hat, denn Koffein dockt an jenen Stellen im Gehirn an, an denen Adenosin wirkt und verdrängt es, sodass die Zeit, in der die durchblutungsfördernde Kaffeewirkung überwiegt, manchen Menschen beim Einschlafen helfen kann.

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In einem längst vergriffenen Reiseführer für Wien heißt es unter dem Titel "Kaffeehauskultur“:
„Um Gottes Willen, sagen Sie nicht ,Káffeeʻ wie die Reichsdeutschen,
sondern sagen Sie ,Kaffeehʻ, das klingt gleich viel aromatischer.“

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Immer neuerer Zeit taucht in den Medien immer wieder die Behauptung auf, dass Kaffee das menschliche Gehirn vor Demenzerkrankungen wie Alzheimer und Parkinson schützen kann. Kanadische ForscherInnen fanden nun heraus, dass die Grundlage der schützenden Mechanismen nicht im Koffein liegt, sondern in jenen Verbindungen, die beim Rösten der Kaffeebohnen freigesetzt werden, d. h., der gleiche Effekt findet sich auch beim entkoffeinierten Kaffee. Beim Vergleich von stark geröstetem koffeinhaltigen Kaffee, stark geröstetemr entkoffeinierten uns mild geröstetem koffeinhaltiger Kaffee zeigte sich, dass die Phenylindane für den positiven Effekt verantwortlich sind. Diese Verbindungen bilden sich während des Röstvorgangs und verleihen dem Kaffee seinen typisch bitteren Geschmack. Diese Röstverbindungen im Kaffee sorgen dafür, dass weniger toxische Proteine im Gehirn andocken können, wobei das auch die Tau- und Beta-Amyloid Proteine betrifft, die sich als Plaque im Gehirn ablagern und bekanntlich als Auslöser für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson gelten. Inssbesondere ist dabei die lange Röstzeit für die Bildung der schützenden Röstverbindungen verantwortlich, d. h., die stärkste schützende Wirkung auf das Gehirn geht von den dunkelgerösteten Sorten aus. Eine Studie zur Schutzwirkung vor kognitiver Degeneration zeigte, dass je länger die Kaffeebohnen geröstet werden, desto mehr Phenylindane werden produziert, was bedeutet, dass stark gerösteter Kaffee mit oder ohne Koffein im Vergleich zu Kaffee mit leichter Röstung den größten Schutz vor kognitiver Degeneration bietet. Diese Komponenten entstehen ganz natürlich und müssen nicht im Labor hergestellt werden (Mancini et al., 2018).

Den ersten Kaffee sollte man morgens übrigens erst nach 9.30 Uhr trinken, denn Cortisol, das den Energiehaushalt regelt, erreicht zwischen 8 und 9 Uhr morgens seinen Höhepunkt. Kaffeekonsum vor 9 Uhr führt aber dazu, dass der Körper aufhört, Cortisol zu produzieren, und sich stattdessen die notwendige Anregung aus dem Koffein holt. Um 9.30 Uhr, wenn der Cortisolspiegel wieder abnimmt, kann Koffein erst die gewünschte Wirkung entfalten.

Durch diese anregenden Prozesse fördert der Kaffeegenuss zumindest kurzfristig Konzentration und Gedächtnis, was man bisher beim Menschen und schon bei zahlreichen Tieren nachgewiesen hat. Zuletzt bei Bienen: da in den Blüten vieler Pflanzen nicht nur Zucker in Form von Nektar sondern auch Koffein (nicht nur bei Kaffeepflanzen sondern auch bei manchen Zitrusfrüchten) enthalten ist, bewirkt das nach neueren Untersuchungen bei Bienen, dass diese sich besser an die Nektarquelle erinnern. Gestärkt wird dabei das Langzeitgedächtnis, denn nach 24 Stunden ist die Erinnerung an Blüten mit Koffein dreimal so stark wie an koffeinfreie, nach drei Tagen immer noch doppelt so stark.

Übrigens: Die Wirkung von Energy Drinks basiert auf demselben Prinzip, wobei hier die Wirkung von Koffein durch das Rinderhormon Taurin verstärkt wird, wodurch der Zuckerstoffwechsel zusätzlich erhöht wird.

Nach einer Studie an 200 Studenten von Simon Jones (Universität Durham) leiden starke Kaffeetrinker häufiger an Halluzinationen, denn wer mehr als sieben Tassen täglich konsumiert, hat ein drei Mal höheres Risiko, Stimmen imaginärer Personen zu hören, als Menschen, die weniger als eine Tasse täglich trinken. Ob allerdings der Kaffeekonsum tatsächlich die Halluzinationen auslöst, ist noch unklar, denn es könnten auch Menschen mit Wahnvorstellungen öfter zum Kaffee greifen, um mit ihren speziellen Erfahrungen zurecht zu kommen. Als mögliche Ursache für dieses Phänomen vermutet man, dass Koffein die physiologische Auswirkung von Stress verstärkt, denn dabei schüttet der Körper mehr Cortisol ins Gehirn aus, was mit den Wahnvorstellungen zu tun haben könnte. Übrigens: Halluzinationen sind nicht unbedingt Anzeichen einer Geisteskrankheit sind, denn die meisten Menschen hätten Erfahrung damit, Stimmen zu hören, obwohl niemand da ist. Etwa drei Prozent der Bevölkerung vernimmt sogar regelmäßig diese Stimmen, bewältigen das jedoch gut und führen ein ganz normales Leben.

Wer regelmäßig Kaffee oder Tee zu sich nimmt, dessen Körper gewöhnt sich an das darin enthaltene Koffein, sodass es bei einem Ausbleiben der Koffeinzufuhr zu Entzugserscheinungen kommt. Betroffene klagen über pochende Kopfschmerzen, die ihren Ursprung meist hinter den Augen zu haben scheinen, und fühlen sich abgeschlagen und müde, habenr Konzentrationsschwächen und sind verstärkt reizbar. Forschungen am College of Medicine der University of Vermont und der Johns Hopkins School of Medicine zeigten, dass sich die Gehirnaktivitäten während eines Koffeinmangels verändern und sich der Blutfluss im Gehirn erhöht, was das Auftreten der Kopfschmerzen erklären kann.

Cornelis et al. (2018) haben in einer Studie gezeigt, dass Kaffee den menschlichen Stoffwechsel doch sehr viel stärker beeinflusst, als bisher angenommen, und sich ebenso stark auf das Gehirn auswirkt wie etwa Cannabis. Kaffeetrinker mussten einen Monat lang auf diesen verzichten und durften anschließend für den darauffolgenden Monat wieder vier Tassen am Tag trinken, danach wurde die Dosis auf acht Tassen Kaffee pro Tag erhöht. Blutproben der Studienteilnehmer zur Analyse ihrer Biochemie zeigten, dass über einhundert Metaboliten vom Kaffeekonsum beeinflusst wurden, wobei davon zwei Drittel bisher bekannt waren. Es zeigten sich daher aber völlig neue Stoffwechselwege, wie Kaffee sich auf die Gesundheit auswirken könnte, denn etwa acht Tassen Kaffee am Tag zu trinken löste einen Dominoeffekt aus, der jene Art von Neurotransmittern verringert, die von Cannabis imitiert werden. Offenbar reduziert der Konsum von Kaffee an jenen Stellen, an denen Cannabis das Endocannabinoid-System ansteigen lässt, die Neurotransmitter. Der hohe Kaffeekonsum in den zwei Monaten des Experiments könnte ausreichend Stress für den Körper erzeugt haben, sodass die Metaboliten in diesem System zurückgegangen sind, was eine Anpassung des Körpers bedeuten könnte, um den Stresslevel wieder auszugleichen.

Koffeinhaltige Lebensmittel sind Verbrauchsgüter im alltäglichen Leben vieler Menschen, doch trotz seines vergleichbaren Wirkspektrums mit anderen Substanzen, die eine Abhängigkeit begünstigen können, gibt es kaum konsumgebundene Einschränkungen für Koffein, wobei die Beschaffung dieser Substanz verhältnismäßig leicht ist. Dabei stellt die Konsumation koffeinhaltiger Getränke und Lebensmittel für bestimmte Zielgruppen eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar, denn entgegen zahlreicher Studien, die neben Risikogruppen auch Abhängigkeitsmerkmale definieren, herrscht in den zwei dominierenden Klassifikationsmanualen, DSM-V sowie ICD-10 keine Einigkeit darüber, ob Koffeinabhängigkeit als eigenständige Diagnose formuliert werden soll. Koffein aktiviert das dopaminerge Belohnungssystem und steigert das Wohlbefinden u.U. bis hin zur Euphorie, wobei es mehrere psychologische Wirkungsketten gibt, die neben Kaffee auch koffeinhaltige Energydrinks, Nahrungsmittel oder Medikamente attraktiv machen, denn Koffein in geringen Mengen kann Appetit, Ängste, depressive Verstimmungen und Konzentrationsstörungen reduzieren. Hochdosierungen können jedoch gegenteilige Wirkungen begünstigen oder auslösen, etwa Erregung, Ängste, Reizbarkeit, hypomanische Stimmungsschwankungen, Nervosität, Übelkeit, Zittern, Schlafstörungen, Tagesmüdigkeit, Major Depressive Disorder, Psychosen, suizidale Tendenzen u.a. Typische Symptome des Koffeinentzugs sind dabei insbesondere Kopfschmerzen, Benommenheit, Erschöpfung, Müdigkeit, verminderte Konzentration, manchmal sogar Übelkeit, Erbrechen und Muskelschmerzen. Übermäßiger Koffein-Konsum steht häufig in einer Wechselwirkung mit dem gleichzeitigen Missbrauch anderer Substanzen wie Nikotin, Alkohol, Kokain, Amphetamine, THC, Spielsucht und Internet-Abhängigkeit. Therapeuten Koffein-Abhängige sehen Koffein-Abhängige meist unter einer anderen Diagnose und übersehen daher oft die Koffein-Problematik.

Nach einer Untersuchung von Peter Rogers (Universität Bristol) mit Koffeintabletten und Placebos zeigten sich bei 379 Teilnehmern deutliche Unterschiede zwischen gefühlten Wachheitszuständen und der tatsächlichen Leistungsfähigkeit. In Gedächtnis- und Aufmerksamkeitstests leisteten nach dem Verzehr einer koffeinhaltigen Tablette die starken Kaffeetrinker nicht mehr als Koffeinverweigerer oder Gelegenheitskonsumenten aus der Placebo-Gruppe. Für Probanden, die ohnehin nie oder nur selten Kaffee oder Tee tranken, war es kein Problem, wenn sie nur ein Placebo bekamen, nur für die Dauerkonsumenten wirkte sich die unterbrochene Koffeinzufuhr spürbar aus, denn sie gaben häufiger an, dass sie sich müde fühlten, wobei einige sogar unter Kopfschmerzen litten. Wer von den starken Kaffeetrinkern hingegen mit der Tablette seine Dosis Koffein erhalten hatte, blieb bei den Tests eher unauffällig. Man schließt daraus, dass das Koffein bei regelmäßigen Kaffeekonsumenten lediglich dafür sorgt, dass die Körper normal funktionierten aber keine Leistungssteigerung bewirken.

Neuere Studien (Elmenhorst et al., 2012) zeigen übrigens auch, dass Koffein in entwicklungsgeschichtlich jungen und hoch entwickelten Regionen des Gehirns wirkt, vor allem im Assoziationskortex seine Wirkung entfaltet, also in jenem Bereich der Großhirnrinde, der für komplexe Bewertungsprozesse verantwortlich ist. Frühere Studien hatten schon gezeigt, dass Menschen mit regelmäßigem Koffeinkonsum ein etwas geringeres Risiko für die Parkinson- und die Alzheimer-Krankheit haben, sodass man nun hofft, mit Medikamenten gegen diese Krankheiten wirksam vorgehen zu können.

Da der Koffeinkonsum von Kindern und Jugendlichen vor allem auf Grund der koffeinhaltigen Energy Drinks in den letzten dreißig Jahren um über siebzig Prozent gestiegen ist, warnen Zürcher Forscher auf Grund von Untersuchungen an pubertierenden Ratten vor übermäßigem Konsum in diesem Alter, denn bei pubertierenden Ratten wurde durch Koffein der Tiefschlaf vermindert und die Gehirnentwicklung verzögert. Man verabreichte in dem Versuch Ratten während fünf Tagen eine Koffeinmenge, die auf den Menschen umgerechnet etwa drei bis vier Tassen Kaffee pro Tag entspricht. Die Forscher stellten fest, dass der Tiefschlaf der Tiere noch eine Woche später reduziert war und sich der Reifungsprozess im Hirn verlangsamt hatte. Während der Pubertät schlafen Menschen und Säugetiere besonders lang und tief, da in dieser Zeit das Gehirn reift, d. h., die Verknüpfungen, die während der Kindheit zunehmen und eine grosse Flexibilität des Gehirns erlauben, werden teilweise allmählich abgebaut. Das ist eine Optimierung, die vermutlich vor allem im Tiefschlaf vor sich geht, indem wichtige Verbindungen ausgebaut und andere abgebaut werden, sodass das Netzwerk effizienter und das Gehirn insgesamt leistungsfähiger wird.

Kaffee liefert eine große Menge an Koffein, aber auch Tee, sowohl der unfermentierte grüne als auch er fermentierte schwarze Tee, enthält Koffein, wobei das Koffein nicht nur munter macht, sondern auch den Stoffwechsel stimuliert, das Herz schneller schlagen lässt und der Körper durch diese Aktivierung tatsächlich etwas mehr Kalorien verbraucht. Deshalb soll Koffein auch wie ein Fatburner wirken, doch die dafür notwendigen großen Mengen bergen Risiken: Bluthochdruck, Nervosität, Muskelprobleme und Zittern sind dabei Nebenwirkungen, und wer dauerhaft viel Koffein koonsumiert, kann sogar eine Sucht entwickeln.

1674 musste sich übrigens das britische Parlament mit der Petition einer Frauenbewegung beschäftigen, in der die Befürchtung artikuliert wurde, dass "dieses austrocknende und schwächende Getränk" Männer unfruchtbar mache "wie die Wüsten, aus denen diese unglückselige Frucht kommt" ;-)

Siehe auch das koffeinhaltige Guarana.

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Koffein bei Hummeln als Gedächtnisverstärkung

Arnold et al. (2021) haben in England gezeigt, dass sich Hummeln durch Koffein den Duft von Pflanzen besser merken, denn mit koffeinhaltiger Zuckerlösung konditionierten sie die Tiere, nur eine bestimmte Pflanzenart anzufliegen. In dem Experiment teilte man Erdhummeln, die zur kommerziellen Bestäubung von Erdbeeren eingesetzt werden, in drei Gruppen ein. Gruppe eins erhielt eine reine Zuckerlösung, Gruppe zwei Zuckerlösung mit Erdbeerduft und Gruppe drei Zuckerlösung mit Erdbeerduft und Koffein. Nach der Verabreichung im Nest wurden die Hummeln auf eine Wiese mit künstlichen Pflanzen geschickt. Gruppe drei wählte die Pflanzen mit Erdbeerblütenduft zu siebzig Prozent, während hingegen Gruppe zwei sie nur zu etwa sechzig Prozent und Gruppe eins nur zu rund fünfzig Prozent ansteuerte. Das Koffein, das die Hummeln im Nest erhalten, führt offenbar dazu, dass sich die Tiere den beigemengten Duft besser merken und bereits mit einer Belohnung assoziieren. Außerhalb des Nests fliegen sie dann zu dem bekannten Duft, auch wenn im Nektar der Pflanze kein Koffein enthalten ist. Vermutlich kann dieses Prinzip auf andere Blütendüfte angewandt werden, um eine gezieltere Bestäubung von Nutzpflanzen zu erreichen, was zu einer Ertragssteigerung führen könnte, indem de Hummeln eine koffeinhaltige Zuckerlösung mit dem Duft der entsprechenden Pflanze in ihrem Nest bekommen und dann auf das Feld ausschwärmen. Ein solches gezieltes Training von kommerziell eingesetzten Insekten hat auch den Vorteil, dass sie den wilden Bestäuberkolonien nicht das Revier streitig machen, denn die Hummeln merken sich den gelernten Duftstoff nicht für immer, denn mit der Zeit treffen die Hummeln auf andere Pflanzen und erkennen, dass sie auch dort die Belohnung in Form von Nektar erhalten. Um den gewünschten Effekt aufrechtzuerhalten, muss deshalb im Nest immer koffeinhaltige Zuckerlösung mit dem entsprechenden Duft verabreicht werden, damit das Hummelgedächtnis wieder aufgefrischt wird.

Literatur

Arnold, Sarah E.J., Dudenhöffer, Jan-Hendrik, Fountain, Michelle T., James, Katie L., Hall, David R., Farman, Dudley I., Wäckers, Felix L. & Stevenson, Philip C. (2021). Bumble bees show an induced preference for flowers when primed with caffeinated nectar and a target floral odor. Current Biology, doi: 10.1016/j.cub.2021.06.068.

Beiglböck, Wolfgang (Hrsg.) (2022). Themenschwerpunkt: Koffein. rausch – Wiener Zeitschrift für Suchttherapie.

Cornelis, M. C., Erlund, I., Michelotti, G. A., Herder, C., Westerhuis, J. A. & Tuomilehto, J. (2018). Metabolomic response to coffee consumption: application to a three-stage clinical trial. Journal of Internal Medicine, 283, 544-557.
David Elmenhorst, Philipp T. Meyer, Andreas Matusch, Oliver H. Winz & Andreas Bauer (2012). Caffeine Occupancy of Human Cerebral A1 Adenosine Receptors: In Vivo Quantification with 18F-CPFPX and PET, J Nucl Med 2012, published ahead of print September 10, 2012. Doi: 10.2967/jnumed.112.105114

Mancini, Ross S., Wang, Yanfei & Weaver, Donald F. (2018). Phenylindanes in Brewed Coffee Inhibit Amyloid-Beta and Tau Aggregation. Frontiers in Neuroscience, 12, doi:10.3389/fnins.2018.00735   

Pollack, K. (2017). Kaffee trinken und schlafen können? Ob Koffein wach macht oder nicht, gibt Einblicke in das persönliche Enzymsystem. Der Standard vom 4. November. Stangl, W. (2024, 24. Jänner). Insomnie. Online Lexikon für Psychologie & Pädagogik.
https://lexikon.stangl.eu/3869/insomnie.

https://science.orf.at/stories/3223254/ (24-01-23)

Die Presse vom 9. März 2013.

https://orf.at/stories/3223804/ (21-08-05)