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Physiologische Auswirkungen des Kaffeetrinkens in höheren Mengen
Contents
Einleitung
Kaffee ist eines der populärsten Getränke der Welt. Der wohl bekannteste darin enthaltene Inhaltsstoff ist das Koffein. Dies bringt einige physiologische Auswirkungen mit sich, da die Rezeptoren, an denen es wirkt, nahezu im ganzen Körper verteilt sind. Andere Bestandteile des Kaffees haben allerdings auch eine Reihe an physiologischen Auswirkungen auf den Körper, besonders dann, wenn Kaffee in etwas höheren Mengen konsumiert wird. Es ist schwer genau festzustellen welcher Inhaltsstoff eine Wirkung auf den Organismus hervorruft, auch wenn diese Wirkung mit dem Kaffee in Verbindung gebracht werden kann. Der Grund dafür ist, dass die meisten Probanden, der im Folgenden behandelten Studien über Kaffeekonsum, Kaffee tranken und nicht nur einzelne Inhaltsstoffe davon zu sich nahmen. Es ist eine gewisse Variabilität der Wirkung bei verschiedenen Personen zu beachten, die auf die Toleranzentwicklung, sowie auf mögliche verschiedene genetische Polymorphoismen des Stoffwechsels oder bestimmter Rezeptoren zurückzuführen ist. (Turnbull et al., 2017) Für bestimmte Wirkungen gibt es keine genauen Aufnahmegrenzen, sondern nur grobe Richtwerte. Die individuellen Auswirkungen von Kaffeekonsum einer gewissen Menge können von Mensch zu Mensch sehr unterschiedlich sein.
Bioaktive Inhaltsstoffe
Koffein
Das natürliche Alkaloid Koffein (1,3,7 – Trimethylxanthin) ist die am meisten untersuchte Verbindung im Kaffee. Strukturell ähnelt es dem Adenosin. Es ist ein Stimulans des Zentralnervensystems und kommt in ca. 60 verschiedenen Pflanzen natürlich vor. Koffein kann auch synthetisch hergestellt werden. (Nieber, 2017) (Turnbull et al., 2017)
Der Koffeingehalt ist je nach Art der Kaffeebohnen unterschiedlich, durchschnittlich beträgt er bei einer Tasse Kaffee 70-120mg. (Nieber, 2017)
Chlorogensäuren
Chlorogensäuren sind natürliche Polyphenole mit antioxidativen Eigenschaften. Es sind Esterverbindungen, die verschiedenen Unterklassen umfassen: Die dominierende Form in Kaffee ist die 5-Caffeoylchininsäure. Außerdem sind weitere Caffeoylchininsäuren, Feruloylchininsäure, sowie Di-Caffeoylchininsäure enthalten.(Liang und Kitts, 2014) Eine normale Tasse Kaffee enthält je nach Art der Kaffeebohnen und Brühmethode zwischen 30 und 500mg Chlorogensäuren. (Wadhawan und Anand, 2016)
Andere
Weitere Bestandteile des Kaffees sind Lactone, Diterpene (Cafestol, Kahweol) und Niacin, sowie der Vitamin B3-Vorläufer Trigonellin. (Nieber, 2017)
Wirkmechanismus
Abbildung 1 |
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Die Wirkung von Koffein an Adenosinrezeptoren |
Koffein
Koffein wird nach oraler Einnahme im Magen und Dünndarm nach 45 Minuten vollständig absorbiert. Die maximale Plasmakonzentration wird innerhalb von 15-20 Minuten nach der oralen Einnahme erreicht. Anschließend gelangt es durch den Blutkreislauf in die Leber, wo es durch das Cytochrom P450-Oxidase-Enzymsystem (CYP1A2-Enzym) und N-Acetyltransferase (NAT2) metabolisiert wird (Nieber, 2017). Da es mehrere CYP1A2-Polymorphorismen gibt, kann der Prozess bei verschiedenen Menschen unterschiedlich lang dauern. (Turnbull et al., 2017) Den stärksten Einfluss auf die Enzymaktivität hat allerdings das Rauchen. Es steigert die Aktivität und beschleunigt somit den Abbau des Koffeins, was auch eine Verkürzung der Halbwertszeit mit sich bringt (Bułdak et al., 2018). Die Halbwertszeit variiert und liegt ohne besondere Einflüsse zwischen 2,5 – 4,5 Stunden. Im Urin des Menschen können mindestens 16 Metaboliten des Koffeins nachgewiesen werden. (Turnbull et al., 2017) Paraxanthin, Theobromin und Theophyllin sind die 3 entstehenden Hauptmetaboliten, wobei das Paraxanthin in der größten Menge entsteht. (ca. 84% der Metabolite). (Nieber, 2017)
Koffein wirkt als Antagonist von Adenosin an den A1, A2A, A2B und A3-Adenosinrezeptoren (Abbildung 1). Die Adenosinrezeptoren sind an vielen verschiedenen biologischen Funktionen im Organismus beteiligt und bringen deshalb eine Reihe von physiologischen Auswirkungen mit sich. Bereits nach dem Genuss von einer Tasse Kaffee, werden die A1- und A2A-Rezeptoren wirksam blockiert. Die stimulierende Wirkung auf das Zentralnervensystem entsteht durch eine Erhöhung der Freisetzung von Dopamin, Noradrenalin und Glutamat. (Nieber, 2017)
Chlorgensäuren
Chlorogensäuren erhöhen den Fettstoffwechsel und den Plasma-Adiponektinspiegel, und verringern den Triglycerid- und Cholesterinspiegel. Darüber hinaus wirken sie auf den Lipid- und Glukosestoffwechsel. (Ilmiawati et al., 2020)
Andere
Die Diterpene Cafestol und Kahweol rufen durch ihre antioxidative Aktivität eine Steigerung wichtiger antioxidativer Enzyme hervor, und sind cholesterinsteigernde Verbindungen. (Aizawa et al., 2016)
Physiologische Auswirkungen des Kaffeekonsums in moderaten bis höheren Mengen
Herz-Kreislaufsystem
Es bestehen erhebliche Kontroversen über den Zusammenhang zwischen Kaffeekonsum und kardiovaskulären Krankheiten. Untersuchungen mit koffeinhaltigen im Vergleich zu entkoffeinierten Kaffee zeigten die Beteiligung anderer Komponenten außer Koffein an den Auswirkungen auf das Herz-Kreislauf-System. (Buscemi et al., 2011) Durch die Aufnahme von Koffein kommt es bei moderaten Mengen zu einem reversiblen physiologischen Blutdruckanstieg, der nach Abklingen der Koffeinwirkung wieder sinkt. Durch die schnelle Toleranzentwicklung kommt es bei gewohnheitsmäßigen Kaffeekonsumenten nur noch zu einem geringen Blutdruckanstieg. Die Mehrzahl der Studien, die die Auswirkungen von Koffein in Zusammenhang mit koronaren Herzkrankheiten und daraus möglicherweise resultierenden akuten Myokardinfarkten untersuchten, kamen zu dem Ergebnis, dass die Koffeinaufnahme nicht zu einem erhöhten Risiko für die genannten Krankheiten führt. Allerdings sind bestimmte Untergruppen empfindlicher auf Kaffee, genauer das darin enthaltene Koffein. (Turnbull et al., 2017) Zu den empfindlicheren Menschen gehören laut Cornelis et al. (2006), der von Turnbull et al. zitiert wird, z.B. Personen mit einem Genotyp, der einen bestimmten CYP1A2-Polymorphorismus aufweist, der wiederum mit einem langsamen Koffeinstoffwechsel assoziiert wird. Untersuchungen verschiedener Arten von Arrhythmien und Herzinsuffizienz, zeigten keine sicheren Zusammenhänge mit Koffeinaufnahmen in verschiedenen Mengen. (Turnbull et al., 2017)
Metabolismus
Es gibt eine umgekehrte Korrelation zwischen Kaffeekonsum und Fettleibigkeit. (Wadhawan und Anand, 2016) Eine Studie von Ilmiawati et al. (2020) bestätigte, dass Kaffee eine positive Auswirkung bei der Behandlung von Adipositas und Hyperlipidämie haben kann, und auch in einer Studie von Mansour et al. (2020), wurde eine signifikante Gewichtsabnahme einer Gruppe von Probanden festgestellt, die täglich 200mg Koffein und 200mg Chlorogensäure konsumierte. Diese Wirkung wird in der zuletzt genannten Studie der Chlorogensäure zugeschrieben.
Kaffee hat auch positive Auswirkungen auf Stoffwechselstörungen, insbesondere auf Diabetes-Typ 2. Die Metaanalyse von Ding et al. (2014) untersuchte Studien mit über 45000 Fällen von Typ-2-Diabetes, und konnte eine inverse Korrelation zwischen Kaffeekonsum und Diabetesrisiko feststellen. Im Vergleich zu Patienten ohne Kaffeekonsum, hatten diejenigen mit einem täglichen Konsum von 6 Tassen pro Tag ein um 33% geringeren Risiko für Diabetes-Typ 2. Ob die Wirkung bei Frauen und Männern gleichermaßen auftritt ist nicht endgültig geklärt. Manche Studien kommen zu dem Ergebnis, dass die protektive Wirkung bei Frauen stärker ausfällt. (Nieber, 2017) Die positiven Wirkungen sind nicht dem Koffein zuzuschreiben, da die schützende Wirkung durch entkoffeinierten Kaffee gleichermaßen auftritt. (Ding et al., 2014)
Die Mechanismen, die zur diabetespräventiven Wirkung führen sind nicht bekannt. Vermutet werden eine erhöhte Insulinsekretion und -sensitivität. (Nieber, 2017)
Bei Experimenten mit Knockout-Mäusen wurde eine Inhibition der Glukoneogenese durch Chlorogensäuren festgestellt. Diese Hemmung resultiert aus der Beeinflussung der Aktivität von Glucose-6-Phosphatase. Außerdem wird die Glukoseaufnahme der Skelettmuskulatur stimuliert, indem die Expression und Translokation von Glucosetransporter Typ 4 (GLUT-4)steigen. Auch das Darmhormon Glucagon-like-Peptide 1(GLP 1) wird durch Polyphenole des Kaffees stimuliert. Es ist für die Glukose-induzierte Insulinsekretion aus den beta-Zellen des Pankreas zuständig. Eine Aktivierung des GLP-1-Signals schwächt Diabetes bei Menschen und Tieren ab. (Nieber K, 2017)
Leber
Verschiedene Leberenzymwerte (Allanin-Transferase, Aspartat-Aminotransferase, Gamma-Glutamyltransferase) werden durch den Konsum von Kaffee gesenkt. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt bei Patienten mit einem erhöhten Risiko für Lebererkrankungen.
Während die Auswirkungen von Kaffee auf Hepatitis-B-Viren bisher noch wenig untersucht sind, gibt es über das Zusammenspiel bei einer Hepatitis-C Infektion bereits mehr Erkenntnisse. Es gibt zahlreiche Hinweise auf eine Schutzwirkung durch Kaffee gegen Hepatitis-C. (Wadhawan und Anand, 2016) Modi et al. (2010) untersuchten die Beziehung zwischen Kaffeekonsum und Leberfibrose (Vorstufe der Leberzirrhose) bei Hepatitis-C Patienten, durch Leberbiopsien. Bei diesen Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine tägliche Aufnahme von mehr als 2 Tassen Kaffee mit einer weniger schweren Leberfibrose verbunden ist. Die Verträglichkeit der Therapie der Virusinfektion mit Interferon und Ribavirin kann durch Kaffeekonsum verbessert werden. (Wadhawan und Anand, 2016)
Der regelmäßige Konsum hat außerdem eine schützende Wirkung gegen die Fibroseentwicklung bei nichtalkoholischen Fettlebererkrankungen. In Bezug auf das Neuauftreten dieser Krankheit konnte allerdings kein Zusammenhang mit dem Konsum von Kaffee gefunden werden. (Wadhawan und Anand, 2016)
Die Schutzwirkung des Kaffees gegen hepatozelluläre Karzinome (HCC) wurde ebenfalls mehrfach nachgewiesen, wobei der schützende Effekt bei hohen Konsummengen (mehr als 3 Tassen/Tag) stärker ausfällt als bei niedrigeren Konsummengen. Die Aufnahme von 2-3 Tassen pro Tag verringerte das Risiko für HCC um 38%; vier oder mehr Tassen konnten sogar eine Risikosenkung um 41% verzeichnen. (Setiawan et al., 2015)
Die positiven Wirkungen des Kaffees auf die Leber resultieren zum Teil aus dem enthaltenen Koffein, welches in Nagetierexperimenten nachweislich die Toxin-induzierte Leberfibrose/-zirrhose hemmt, indem es die A2A-Rezeptoren in der Leber blockiert (Dranoff et al., 2014). Andere Inhaltsstoffe des Kaffees können allerdings ebenso entscheidend sein, was Experimente mit entkoffeiniertem Espresso an Ratten zeigten. Die reduzierende Wirkung von Chlorogensäuren auf Leberfibrose ist dabei hervorzuheben. Die Diterpene Cafestol und Kahweol haben eine protektive Wirkung gegen Leberschäden, die durch Aflatoxin-B1 induziert wurden, und können auch die Synthese von Glutathion steigern, was zur Verhinderung von Leberschäden beiträgt. (Nieber, 2017) Bei Menschen mit schweren Lebererkrankungen wurde eine erheblich verlängerte Halbwertszeit des Koffeins von bis zu 50-160 Stunden festgestellt, was die positiven Wirkungen, die durch das Koffein hervorgerufen werden, begünstigen kann. (Turnbull et al., 2017)
Darm
Laut tierexperimentellen Studien von Nakayama und Oishi, die von Bułdak et al. (2018) zitiert werden, wird durch Kaffee die Anzahl von Escherichia coli im distalen Dünndarm und proximalen Dickdarm vermindert. Gleichzeitig kommt es zu einer für den Organismus Verringerung von Enterococcus spp., Bacteroides spp., und Clostridium spp.. Die Anzahl von Lactobacillus spp. und Bifidobacterium spp wird hingegen erhöht. Die beiden zuletzt genannten Bakterienarten sind bekannt für ihre vorteilhaften Wirkungen auf die Gesundheit (Bułdak et al., 2018). Basierend auf verschiedenen wissenschaftlichen Studien wurde ein Zusammenhang zwischen Depressionen sowie erhöhten Stressreaktionen aufgrund des Mangels der Bakterienarten Lactobacillus spp. und Bifidobacterium spp. festgestellt. (Aizawa et al., 2016) In menschlichen Zellkulturen haben Koffein, Koffeinsäure, Chlorogensäuren und Kahweol antikarzinogene Wirkungen gezeigt, was auf eine protektive Wirkung gegen Darmkrebs hinweist (Bułdak et al., 2018), und auch entzündliche Darmkrankheiten können laut Tiermodellen durch die entzündungshemmende Wirkung der Chlorogensäuren abgeschwächt werden. (Nieber, 2017)
Nervensystem
Abbildung 2 |
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Die 3 Hauptmetaboliten des Koffeins |
Da im gesamten Nervensystem eine Vielzahl an Adenosin-Rezeptoren aufzufinden ist, wirkt Kaffee bzw. das darin enthaltene Koffein auf die Aktivität der Neuronen. Die stimulierende Wirkung auf das Zentralnervensystem entsteht durch eine Erhöhung der Freisetzung von Dopamin, Noradrenalin und Glutamat. (Nieber, 2017)
Der Konsum kann das Risiko für neurodegenerative Erkrankungen verringern. Durch den Abbau des Koffeins entstehende Xanthin-Metaboliten wie Theobromin und Theophyllin können die positiven Auswirkungen des Kaffees zusätzlich verstärken (Abbildung 2).
Erhöhte Koffeinspiegel in der Cerebrospinalflüssigkeit stehen bei Patienten mit traumatischen Hirnverletzungen mit besseren klinischen Ergebnissen in Verbindung. Der Theobrominspiegel im Liquor korreliert hingegen invers mit den Amyloid-Beta-42 Spiegeln bei Alzheimer-Patienten, was für eine positive Auswirkung des Theobromins für die Behandlung der Alzheimer-Krankheit spricht. In einigen Bevölkerungsstudien wurden außerdem Zusammenhänge zwischen Kaffeekonsum und verbesserten kognitiven Fähigkeiten bei älteren Menschen festgestellt. (Camandola et al., 2019)
Die stärksten Zusammenhänge des Kaffeekonsums in Bezug auf neurodegenerative Erkrankungen sind für die Parkinson-Krankheit ersichtlich. (Camandola et al., 2019) Laut einer Meta-Analyse von Qi H. und Li S. (2014) kann eine Beziehung zwischen dem Morbus Parkinson Risiko im Allgemeinen und Kaffeekonsum beobachtet werden. Die maximale schützende Wirkung wird dabei durch den täglichen Konsum von 3 Tassen Kaffee erreicht.
Die protektive Wirkung war bei Männern stärker als bei Frauen. Bei Frauen kann die Einnahme von Östrogenen unter Umständen einen negativen Effekt auf die Wirkung des Kaffees gegen die Parkinson-Krankheit haben, bzw. das Risiko sogar erhöhen, allerdings sind diese Tendenzen noch nicht endgültig erforscht und wissenschaftlich bewiesen. (Camandola et al., 2019)
Schlaf
Koffein wirkt zu großen Teilen an den A1- und A2A-Rezeptoren, die wiederrum mit Funktionen, die den Schlaf betreffen, zusammenhängen. Die Auswirkungen des regelmäßigen Koffeinkonsums auf die Schlafqualität sind nicht unerheblich und sind wahrscheinlich größtenteils durch den über Nacht entstehenden Koffeinentzug zu erklären. Personen, die über Nacht einen Koffeinentzug erlebten, sind am nächsten Tag in ihrer Reaktionszeit und Wachsamkeit geringfügig eingeschränkt. Bei solchen Personen, die täglich größere Mengen an Kaffee konsumieren, sind diese Einschränkungen weniger ausgeprägt als bei Menschen, die eine weniger starke Gewohnheit haben. Daraus lässt sich ableiten, dass sich regelmäßige Kaffeetrinker an das nächtliche Entzugsmuster gewöhnen können. (O`Callaghan et al., 2018)
Neben den Wirkungen des Koffeins, können auch andere Bestandteile den Schlaf beeinflussen. Aus dem Kaffee stammende Chlorogensäuren haben bei regelmäßiger Einnahme wahrscheinlich positive Auswirkungen auf den Schlaf und können dabei sowohl die Müdigkeit beim Aufwachen als auch die Schlafqualität verbessern. (Ochiai et al., 2018)
Schwangerschaft
Koffein kann die Plazentaschranke leicht passieren und somit von der maternalen in die fetale Blutbahn gelangen. Es hat Auswirkungen auf das Wachstum des Fötus (Choi et al., 2020), und kann auch zu einem höheren Risiko für Fehlgeburten führen. (Li et al., 2015) Zudem treten bei Frauen, die vor der Schwangerschaft hohe Mengen Kaffee getrunken haben, häufiger Blutungen in der frühen Schwangerschaft auf. (Choi et al., 2020) Bei Frauen im letzten Schwangerschaftstrimester werden erheblich längere Halbwertszeiten als normalerweise festgestellt. (Turnbull et al., 2017) Aus diesen Gründen wird empfohlen die Koffeinaufnahme vor der Empfängnis und während der Schwangerschaft zu reduzieren.
Sehr hohe Mengen
Die Einnahme von extrem hohen Mengen Koffein (ca. 100mg/kg) können in akuter Koffeintoxizität resultieren. (Turnbull et al., 2017) Durch die Wirkung des Koffeins werden zahlreiche Adenosin-Rezeptoren blockiert, wodurch das Koffein auch stark mit dem sympathischen Nervensystem interagiert. Die dadurch hervorgerufenen positiv chrono- und inotropen Wirkungen am Herzen, können Herzrhythmusstörungen auslösen. Zusätzlich wirkt das Koffein in solch hohen Dosen direkt auf intrazelluläre Kalziumspeicher, wodurch das Kalzium freigesetzt wird. Dieser Effekt begünstigt Herzrhythmusstörungen zusätzlich.
Die Symptome einer Koffeinvergiftung sind Kopfschmerzen, Fieber, Übelkeit und Erbrechen, Schwindel, Krämpfe, starke Unruhe und Tachykardie. Weitere Symptome sind schwere Hypokaliämie und Hyperglykämie. Erst kommt es zu Bluthochdruck, später zu einem niedrigen Blutdruck in Verbindung mit Herzrhythmusstörungen, besonders supraventrikulärer und ventrikulärer Tachyarrhythmie, welche die häufigste koffeinbedingte Todesursache darstellen.
Gefährliche Aufnahmemengen sind durch das alleinige Trinken von Kaffee kaum realistisch erreichbar, sondern können durch Aufnahme von reinem Koffeinpulver bzw. Koffeintabletten und Kapseln erreicht werden, die als Nahrungsergänzungsmittel zum Beispiel im Sport- und Fitnessbereich verkauft werden. (Andrade et al., 2018)
Quellenverzeichniss
Einzelnachweise
Jurnale
Nieber, K. (2017): The Impact of Coffee on Health. Planta Med; 83(16): 1256-1263
Liang, N.; Kitts, D. D. (2014): Antioxidant Property of Coffee Components: Assessment of Methods that Define Mechanisms of Action. Molecules; 19(11):19180-19208
Turnbull, D.; Rodricks, J. V.; Mariano, G. F.; Chowdhury, F. (2017): Caffeine and cardiovascular health. Regul Toxicol Pharmacol. 89:165-185
Choi, H.; Koo, S.; Park, H. Y. (2020): Maternal coffee intake and the risk of bleeding in early pregnancy: a cross-sectional analysis. BMC Pregnancy Childbirth. 20: 121
Li, J.; Zhao, H.; Song, J. M.; Zang, J.; Tang, Y. L.; Xin, C. M. (2015): A meta-analysis of risk of pregnancy loss and caffeine and coffee consumption during pregnancy. Int J Gynaecol Obstet. 130(2):116-22
Camandola, S.; Plick, N.; Mattson, M. P. (2019): Impact of Coffee and Cacao Purine Metabolites on Neuroplasticity and Neurodegenerative Disease. Neurochem Res. 2019 Jan; 44(1): 214–227
Qi, H.; Li, S. (2014): Dose-response meta analysis on coffee, tea and caffeine consumption with risk of Parkinson's disease. Geriatr Gerontol Int. 2014 Apr;14(2):430-9
Wadhawan, M.; Anand, C. (2016): Coffee and Liver Disease. J Clin Exp Hepatol 6(1): 40–46
Buscemi, S.; Mattina, A.; Tranchina, M. R.; Verga, S. (2011): Acute effects of coffee on QT interval in healthy subjects. Nutr J. 10: 15
Modi, A. A.; Feld, J. J.; Park, Y.; Kleiner, D. E.; Everhart, J. E.; Liang, T. J.; Hoofnagle, J. H. (2010): Increased caffeine consumption is associated with reduced hepatic fibrosis. Hepatology. 51(1): 201–209
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Ding, M.; Bhupathiraju, S. N.; Chen, M.; van Dam, R. M.; Hu, F. B. (2014): How does Coffee prevent liver fibrosis? Biological plausibility for recent epidemiological observations. Diabetes Care. 37(2): 569–586
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Aizawa, E.; Tsuji, H.; Asahara, T.; Takahashi, T.; Teraishi, T.; Yoshida, S.; Ota, M.; Koga, N.; Hattori, K.; Kunugi, H. (2016): Possible association of Bifidobacterium and Lactobacillus in the gut microbiota of patients with major depressive disorder. J Affect Disord. 202:254-7
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Mansour, A.; Mohajeri-Tehrani, M. R.; Karimi, S.; Sanginabadi, M.; Poustchi, H.; Enayati, S.; Asgarbeik, S.; Nasrollahzadeh, J.; Hekmatdoost, A. (2020): Short term effects of coffee components consumption on gut microbiota in patients with non-alcoholic fatty liver and diabetes: A pilot randomized placebo-controlled, clinical trial. EXCLI J. 19: 241–250
Bilder
Abbildung 1: selbstangefertigtes Bild: Katharina Zeutschel, nach dieser Vorlage
Abbildung 2: selbstangefertigtes Bild: Katharina Zeutschel