Нейромолекулы: кофеин

Всем знакомый кофеин — наиболее широко потребляемое психоактивное вещество в мире. Его содержание в разных напитках сильно варьирует в зависимости от растения, в котором он содержится, и способа его приготовления. Например, высушенные листья чая содержат по удельному весу больше кофеина, чем кофе, но вес чая на стандартную порцию напитка меньше. К тому же кофе варят, а чай заваривают более щадящим способом, поэтому степень экстракции кофеина в чайном напитке меньше. А вот как это вещество на нас влияет, мы с вами и обсудим.

кофеин
Молекула кофеина

Посильнее «Фауста» Гёте

кофеин
Coffea arabica — не напиток, а растение

Про открытие самого кофе ходит много легенд, и главная из них гласит, что некий аравийский пастух обратил внимание на необычайную бодрость своих коз, обглодавших кофейное дерево. Так это было, или не так, не скажем, однако сам кофе известен человечеству действительно давно, в отличие от нашего героя. Зато у кофеина точно известен первооткрыватель и его «крёстный отец».

Иоганн Вольфганг Гёте времён открытия кофеина

Мало кто знает, что выделению кофеина в чистом виде мы обязаны великому поэту – и прекрасному естествоиспытателю Иоганну Вольфгангу Гёте и котикам. Как-то раз молодой и в будущем знаменитый немецкий химик Фридлиб Фердинанд Рунге (в 1819 году ему было 25) открыл способность атропина расширять зрачок, и пригласил маститого Гёте пронаблюдать эффект (не обошлось тут без котика, поскольку Рунге в качестве модельных животных использовал котов). Гёте пришёл в восторг и одарил Рунге пакетом кофейных зёрен – а вдруг и тут чего-то интересного получится? Получилось! Рунге выделил вещество, которое назвал Kaffebase (дословно – «вещество из кофе»).

Фридлиб Фердинанд Рунге

Правда, потом пришлось еще и побороться за приоритет открытия с Пьером Робике и парой Пьером Пелетье – Жозефом Кавенту, выделившим кофеин независимо от Рунге в 1821 году и описавшими его в журнале Берцелиуса. Но Рунге-то тоже опубликовал своё открытие – в своей книге Phytochemical Discoveries, 1820, pages 146–147. В любом случае, эти четыре химика могут с полным правом считаться первооткрывателями кофеина. Ну а Гёте –крёстным отцом этого открытия. Слово «кофеин» придумал Пелетье, элементный анализ (формулу C8H10N4O2) определил Робике.

Пьер Робике
Пьер Пелетье

Дальше – интереснее. В 1827 году некий M.Oudry публикует статью Note sur la Théine в Nouvelle bibliothèque médicale, в которой сообщает об открытии нового алкалоида чая, теина. И только позже голландский химик Геррит Ян Мульдер, первооткрыватель химического состава белков, установил, что теин и кофеин – это одно и то же вещество.

Совсем стало понятно, что такое кофеин, стало 1897 году, когда его синтезировал великий Эмиль Герман Фишер, через пять лет ставший нобелевским лауреатом по химии (правда, не за это). Направленный синтез кофеина помог установить его структуру.

Эмиль Герман Фишер

Как он действует?

В большинстве случаев кофеин помогает нам справиться с сонливостью, повышает работоспособность, снижает время реакции, увеличивает способность к концентрации внимания и к переключению между задачами. Помимо интеллектуальных характеристик улучшаются и спортивные показатели, связанные с выносливостью, так как время до того, как наступит мышечная усталость и утомление центральной нервной системы, значительно растягивается.

Как ему это удаётся?

В нервной системе сигналы передаются от нейрона к нейрону через особые структуры – синапсы. Из пресинаптической мембраны передающего нейрона высвобождаются сигнальные молекулы – нейромедиаторы, которые связываются с рецепторами на постсинаптической мембране, и сигнал «бежит» дальше. Весь процесс передачи сигнала требует много энергии, которую клетки получают из универсальной энергетической «валюты» – аденозинтрифосфата или АТФ.

Синапс

После длительной интенсивной нагрузки мозга в синаптической щели накапливается аденозин (продукт распада АТФ), который связывается с аденозиновыми рецепторами на мембранах. В результате этого в клетку передаётся сигнал, который понижает метаболическую активность нейрона и уменьшает интенсивность, с которой высвобождается нейромедиаторы, то есть тормозит нервную систему.

Кофеин хорошо растворяется как в воде, так и в липидах клеточной оболочки, поэтому может свободно проходить через гематоэнцефалический барьер, который отделяет кровоток от внутренней части мозга. По структуре он очень похож на азотистое основание аденозин, которое входит в состав АТФ, АМФ и ДНК. Поэтому кофеин также может связываться с аденозиновым рецептором и блокировать его. Это приводит к тому, что уровень торможения падает, высвобождается больше нейромедиаторов и мы остаёмся бодрыми и работоспособными ещё какое-то время.

Формулы кофеина и аденозина в сравнении

Против природы не пойдёшь

Но мозгу всё же нужно отдыхать и восстанавливать ресурсы. Поэтому в ответ на постоянное потребление кофеина количество аденозиновых рецепторов увеличивается, и тот же эффект будет достигаться только после увеличенной дозировки. Этот механизм лежит в основе привыкания и формирования биологической зависимости от кофеина.

Как это проявляется: если после полностью отказаться от кофе, то АМФ будет свободно связываться с большим количеством в том числе вновь образованных рецепторов, а это, в свою очередь, начнёт активно вызывать в нас ощущение усталости, сонливости, головную боль, повышенную раздражительность и подавленное настроение. Однако степень проявления таких симптомов зависит не только от продолжительности приёма кофе и дозировки, но и от биологических особенностей организма (известны генетические факторы, влияющие на толерантность к кофеину и скорость его метаболизма).

Кофеиновый «Wi-Fi»

У бодрящего действия кофеина есть ещё один интересный механизм – он способствует активации дофаминового рецептора, не связываясь с ним. Как?

На постсинаптической мембране нейронов полосатого тела (striatum) часто образуются комплексы из дофаминового и аденозинового рецепторов. Когда аденозин связывается со своим рецептором, то происходит и изменение структуры «соседа» — дофаминового рецептора, который уже не может так же эффективно связывать дофамин.

Кофеин же блокирует аденозиновый рецептор таким образом, что он больше не влияет на дофаминовый, и последний продолжает активировать нейроны.

Но всё хорошо в меру: употребление большого количества кофеина с высокой вероятностью приведёт к чрезмерному возбуждению нервной системы, что может повысить тревожность, суетливость, вызвать бессонницу, подёргивание мышц и нарушение ритмов сердца. Однако в умеренных дозах он вполне может даже уменьшить симптомы депрессии.

Текст: Анастасия Сычёва, аспирант Института биоорганической химии РАН при участии Алексея Паевского


А в качестве дополнительной «литературы» мы посоветуем вашему вниманию потрясающую лекцию о кофе глазами токсиколога, прочитанную нашим большим другом, замечательным популяризатором науки и медицины, врачом-токсикологом Алексеем Водовозовым.

Ссылка на источник