Kofeina jest jednym z najczęściej stosowanych stymulantów. Ma ona właściwości nootropowe, gdyż zmienia aktywność neuroprzekaźników, co skutkuje zmniejszeniem odczuwania zmęczenia oraz poprawą funkcji poznawczych. Wpływa ona też na tempo metabolizmu i spalania tłuszczu oraz na wydolność fizyczną.
Kofeina funkcjonuje w literaturze naukowej, dokumentacji farmaceutycznej oraz piśmiennictwie branżowym pod wieloma nazwami. Poniżej zestawiono oficjalne oznaczenia stosowane w różnych kontekstach językowych i klasyfikacyjnych.
Kofeina to zwyczajowa nazwa 1-3-7-trimetylo-3,7-dihydro-1H-puryno-2,6-dionu, związku z grupy alkaloidów purynowych. Jest to łatwo sublimująca, bezwonna substancja występująca pod postacią białego lub krystalicznego proszku o gorzkim smaku. Trudno rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak etanol (96%), i nieco łatwiej w wodzie, zwłaszcza gorącej.
Po raz pierwszy w czystej postaci wyizolowano kofeinę w 1820 roku. 75 lat później poznano jej strukturę chemiczną. Jednak substancja ta wykorzystywana była przez ludzi od wielu wieków. Początkowo spożywano nasiona lub żuto liście i korę niektórych roślin, co powodowało zniesienie uczucia zmęczenia i poprawiało samopoczucie. Następnie zauważono, że efekty te są silniejsze, gdy zanurzy się te składniki w gorącej wodzie. Mówi o tym np. pochodząca sprzed ok. 5000 lat chińska legenda, w której cesarz Shen Nung odkrył herbatę, gdy kilka liści pobliskiego krzewu przez przypadek wpadło do gotującej się wody.
Drugie najpopularniejsze dziś źródło kofeiny, nasiona kawowca, odkryto w IX wieku n.e., na terenach dzisiejszej Etiopii. Pasterze zaobserwowali, że ich kozy mają więcej energii, gdy spożywają owoce pewnego krzewu. Spróbowawszy ich, doświadczyli podobnego przypływu sił i odporności na sen. Jako pierwsi prażyć i gotować nasiona kawowca zaczęli Arabowie. Powstały napój nazwali „gahwa”, co oznacza „odpędzać sen”. W XVI wieku picie kawy stało się popularne w całej Europie.
Obecnie kofeina jest jedną z najbardziej rozpowszechnionych substancji psychoaktywnych na świecie. Zawiera ją wiele leków, jest także dodatkiem do napojów gazowanych i energetycznych.
Kofeina jest jednym z najlepiej znanych i najczęściej stosowanych stymulantów. Wykazuje właściwości nootropowe, gdyż wpływa na gospodarkę neuroprzekaźnikową mózgu. Wpływa także na zwiększenie lipolizy w tkance tłuszczowej oraz poprawia wydolność organizmu.
Najpopularniejszymi źródłami kofeiny są rośliny takie jak:
Zawartość kofeiny w kawie lub herbacie jest zróżnicowana i zależy od odmiany, stopnia fermentacji i sposobu przygotowania napoju. Średnio 100 ml herbaty parzonej przez 5 minut dostarcza 15-30 mg teiny, przy czym herbata czarna dostarcza jej dwa razy więcej niż zielona. Kawa Robusta zawiera zaś dwukrotnie więcej kofeiny niż Arabica. W 100 ml kawy może znajdować się od 9 do 40 mg kofeiny. Dostępne na polskim rynku napoje energetyzujące zawierają w 100 ml ok. 30 mg tej substancji, zaś napoje gazowane ok. 10 mg.
Dostępność biologiczna kofeiny wynosi prawie 100%. Niemal w całości (90%) jest ona wchłaniania do krwi z przedniej części przewodu pokarmowego (przez błonę śluzową jamy ustnej, przełyku i żołądka), pozostała część absorbowana jest w jelitach. Aktywna farmakologicznie staje się po 6-8 minutach od spożycia, natomiast po 40 minutach jej stężenie we krwi osiąga maksymalną wartość. Ze względu na swój umiarkowanie lipofilowy charakter łatwo przenika przez błony biologiczne, przedostając się do ośrodkowego układu nerwowego, nasienia, mleka, a także płynu owodniowego. Jej biotransformacja odbywa niemal w całości w wątrobie. W niezmienionej postaci wydalane jest z moczem jedynie 2% przyjętej dawki. Okres półtrwania kofeiny w organizmie wynosi średnio od 3 do 5 godzin, choć czas ten podlega zróżnicowaniu ze względu na czynniki indywidualne. Szacuje się, że u kobiet jest on o 20-30% krótszy niż u mężczyzn. Na jego wydłużenie mają wpływ choroby wątroby, stosowanie doustnych środków antykoncepcyjnych przez kobiety (5-10 godzin) oraz ciąża (9-18 godzin). U noworodków może on sięgać nawet 100 godzin, zaś u niemowląt w wieku 6 miesięcy przyjmuje wartości jak u osób dorosłych. Palenie tytoniu jest czynnikiem przyspieszającym metabolizm kofeiny niemal dwukrotnie.
Kofeina jest uznawana od wielu lat za środek psychostymulujący, czyli pobudzający ośrodkowy układ nerwowy. Efektem jej działania jest subiektywnie odczuwany wzrost czujności, uwagi i koncentracji oraz tolerancji na zmęczenie, poprawa funkcji poznawczych i psychomotorycznych, a także nastroju.
Istnieją dowody wskazujące na to, iż małe dawki kofeiny mogą wywoływać efekty bardziej korzystne w porównaniu do wysokich. Już najniższa testowana dawka, 32 mg, spowodowała poprawę czujności oraz reakcji słuchowych i wzrokowych. Przy większych dawkach, od 100 do 150 mg, nie zaobserwowano wpływu na ośrodki pnia mózgu. Przyjęcie od 200 do 250 mg kofeiny powoduje poprawę czujności i koncentracji, koordynacji ruchowej oraz szybkości reakcji podczas wykonywania prostych zadań, nastroju i pewności siebie, a także zmniejszenie senności i zmęczenia. Wysokie dawki, od 300 do 600 mg, powodują zmianę aktywności całego ośrodkowego układu nerwowego, wraz z pniem mózgu i rdzeniem kręgowym. Może wówczas wystąpić nadmierne pobudzenie, przyspieszenie oddechu, niepokój i bezsenność. Efekty działania kofeiny są lepiej widoczne u osób przemęczonych niż u wypoczętych.
Ze względu na podobieństwo strukturalne cząsteczek, kofeina jest kompetytywnym inhibitorem adenozyny. Oddziałuje więc na receptory adenozynowe jako ich antagonista – przyłącza się do nich, nie powodując ich aktywacji. Mimo iż uważana jest za nieselektywny inhibitor, wykazuje nieco większe powinowactwo do receptora A1. Jego aktywacja powoduje zmniejszenie aktywności mózgu i odczuwanie uczucia senności. Stąd też wynika pobudzające działanie kofeiny – inhibicja receptora A1 znosi jego hamujący wpływ na mózg.
Długotrwałe regularne przyjmowanie kofeiny prowadzi do zwiększenia stężenia receptorów adenozynowych o 20%. Nie wpływa to na efektywność inhibicyjnego działania kofeiny, może jednak zwiększać poziom adenozyny krążącej we krwi, co zaobserwowano u szczurów, którym przez długi czas podawano kofeinę.
Chroniczne przyjmowanie kofeiny wpływa także na gospodarkę serotoninową. Wywołuje ono wzrost stężenia receptorów 5-HT1 i 5-HT2 (serotoninowych) o 26-30%. Dodatkowo następuje wówczas zwiększenie poziomu serotoniny w mózgu. Fakty te potwierdzone zostały przez wyniki badań z wykorzystaniem myszy i szczurów, którym przez dłuższy czas podawano kofeinę, aż do wytworzenia się tolerancji. W ich mózgach zaobserwowano podwyższenie stężenia tryptofanu, 5-HTP (bezpośredniego prekursora serotoniny) oraz 5-HIAA (metabolitu serotoniny).
Za ten efekt odpowiedzialne jest prawdopodobnie działanie kofeiny jako antagonisty receptora adenozynowego A2. Jego aktywacja jest bowiem związana z obniżaniem poziomu serotoniny. Zaprzestanie przyjmowania kofeiny powoduje przejściowy spadek poziomu tego neuroprzekaźnika, co może wiązać się z czasowym upośledzeniem pamięci. Redukcji nie ulega stężenie tryptofanu w mózgu, obserwowano jednak zmniejszenie poziomu 5-HTP. Sugeruje to, iż obniżona ilość serotoniny jest wynikiem zmniejszenia aktywności hydroksylazy tryptofanowej, enzymu przekształcającego tryptofan w 5-HTP.
Kofeina ma także wpływ na poziom adrenaliny i noradrenaliny w mózgu oraz we krwi obwodowej. Jednak efekty uzależnione są od tego czy spożywana jest okazjonalnie, czy też chronicznie. W pierwszym przypadku następuje podniesienie poziomu katecholamin, przy czym efekt ten jest wysoce zależny od przyjętej dawki. W drugim natomiast obserwowane jest zmniejszenie stężenia receptorów β-adrenergicznych w niektórych obszarach mózgu nawet o 25%. Obniżeniu ulega też poziom adrenaliny i noradrenaliny we krwi obwodowej.
Badania na szczurach ujawniły, iż podawanie poprzez iniekcje kofeiny powoduje zwiększenie poziomu acetylocholiny w części przyśrodkowej kory przedczołowej, a także uwalnianie tego neuroprzekaźnika w obrębie hipokampu. Efekt ten może wynikać z oddziaływania kofeiny na receptory adenozynowe, a jego intensywność zależy od podanej dawki. Nie ma na niego wpływu wystąpienie tolerancji na kofeinę. Chroniczne przyjmowanie tej substancji może też zwiększyć stężenie muskarynowych i nikotynowych receptorów acetylocholiny.
Wykazano, że u nie przyzwyczajonych szczurów iniekcje kofeiny powodują zwiększenie poziomu dopaminy w części przyśrodkowej kory przedczołowej. Powoduje ona także zwiększenie intensywności przekaźnictwa dopaminergicznego. Mechanizm ten jest prawdopodobnie związany z inhibicyjnym działaniem kofeiny na receptory adenozynergiczne A2A. Są one obecne, wraz z receptorami dopaminergicznymi, między innymi w obrębie prążkowia (striatum), gdzie ich aktywacja wpływa na zmniejszenie aktywności ruchowej organizmu. Także w innych częściach mózgu receptory A2A współwystępują z dopaminergicznymi. Ich blokowanie przez kofeinę skutkuje większym pobudzeniem neuronów i w konsekwencji – większą aktywnością tych obszarów. Długotrwałe regularne przyjmowanie kofeiny może spowodować powstanie tolerancji i zmniejszenie wrażliwości receptorów dopaminergicznych, bez zmiany ich stężenia. Badania na szczurach sugerują jednak, iż spożywanie umiarkowanych ilości kofeiny co drugi dzień może zwiększyć działanie dopaminy promujące aktywność fizyczną. Jednocześnie obserwowano także spadek liczebności receptorów A2A.
Kofeina może także wpływać na zwiększanie uwalniania glutaminianu w jądrze półleżącym (nucleus accumbens). Jednocześnie redukuje ona aktywność układu GABA-ergicznego w obrębie struktur takich jak kora mózgu, móżdżek, podwzgórze, prążkowie (striatum). Jej chroniczne przyjmowanie może jednak w niektórych regionach mózgu zwiększać poziom receptorów GABA(A) o ok. 65%, a także poziom receptorów opioidowych delta.
Istniejące wyniki badań sugerują, że kofeina może mieć pewien potencjał w terapii choroby Parkinsona. Badania na małpach, u których wywołano problemy z motoryką poprzez zniszczenie neuronów dopaminergicznych, wykazały efektywność antagonistów adenozyny w poprawie kontroli ruchów. Choć wyniki eksperymentów z udziałem ludzi nie są jednoznaczne, wydaje się, że kofeina w dawkach 100-200 mg dziennie może być pomocna w redukowaniu wczesnych objawów tego schorzenia.
Badania epidemiologiczne wykazały również, że spożywanie kofeiny w postaci kawy może być czynnikiem zmniejszającym ryzyko wystąpienia choroby Parkinsona. Wśród mężczyzn w wieku od 45 do 68 lat pijących dziennie minimum 800 ml kawy zapadalność na tę chorobę była pięciokrotnie mniejsza niż wśród mężczyzn w tym samym wieku, którzy unikali tego napoju. Zawartość w kawie innych substancji poza kofeiną, a także dodatek mleka i cukru, pozostawały bez wpływu na wyniki badania. Podobne wyniki otrzymywano także w innych tego typu analizach.
Obserwowany po spożyciu kofeiny wzrost ciśnienia krwi jest prawdopodobnie związany z oddziaływaniem tej substancji na receptory adenozynowe. Znaczne skoki ciśnienia występują jednak tylko u osób, które nie stosowały wcześniej kofeiny i utrzymują się od jednego do czterech dni jej przyjmowania, następnie zaś ustępują. Ten sam mechanizm związany z oddziaływaniem na receptory adenozynowe może mieć wpływ na zwiększenie krzepliwości krwi. Nie wydaje się jednak, aby umiarkowane spożycie kofeiny miało związek ze znacznym podwyższeniem tego parametru.
W eksperymencie z udziałem otyłych kobiet wykazano, że doustne przyjęcie kofeiny w ilości 4 mg/kg masy ciała powoduje po 30 minutach podniesienie tempa metabolizmu, choć efekt ten był bardzo zróżnicowany. Niemniej jednak, po ośmiu tygodniach takiej suplementacji, połączonej z niskokaloryczną dietą oraz aktywnością fizyczną, zaobserwowano, iż łączy się ona z redukcją masy ciała. Podwyższenie poziomu metabolizmu może być połączone ze zwiększonym uwalnianiem katecholamin w organizmie, które także zależy od stężenia kofeiny we krwi. Istnieją też dowody wskazujące na działanie kofeiny zwiększające lipolizę w komórkach tkanki tłuszczowej, co wpływa na zwiększenie stężenia wolnych kwasów tłuszczowych we krwi.
Wydaje się jednak, iż jako czynnik podnoszący tempo przemiany materii, kofeina jest skuteczna jedynie przez okres kilku tygodni. Wyniki badań nad jej długotrwałym wpływem, trwające od 4 do 16 miesięcy wykazały, iż utrata masy ciała występowała jedynie w początkowej fazie suplementacji, trwającej przez pierwsze 4 tygodnie. Być może jest to związane z wytworzeniem się tolerancji na kofeinę.
Istnieją też doniesienia o działaniu kofeiny powodującym spadek ilości pobieranego pożywienia u szczurów. Badania z udziałem ludzi są nieco mniej obiecujące, jednak zaobserwowano znaczące obniżenie apetytu u mężczyzn przyjmujących dziennie 3 mg/kg masy ciała. W innym badaniu zanotowano zmniejszenie pobierania pokarmu przez mężczyzn przyjmujących 300 mg kofeiny dziennie. Efekt ten nie występował jednak u przyjmujących taką samą dawkę kobiet.
Istnieją dowody wskazujące na to, iż kofeina może zwiększać siłę skurczu mięśni poprzez zwiększenie uwalniania jonów wapnia w komórkach mięśniowych. Eksperymenty z udziałem ochotników nie wskazują jednoznacznie, by łączyło się to ze zwiększeniem siły mięśni po przyjęciu pojedynczej dawki tej substancji. W jednym z badań u sportowców przyjmujących kofeinę w ilości 6 mg/kg masy ciała uzyskano ok. 8% poprawę wydolności w stosunku do osób przyjmujących placebo. W innym przypadku, zarówno w badaniu na szczurach, jak i z udziałem ludzi, także wykazano poprawę sprawności fizycznej w ciągu godziny od przyjęcia kofeiny w dawce 6 mg/kg masy ciała (u szczurów) i 5 mg/kg masy ciała (u ludzi). Mechanizm tego działania nie jest do końca wyjaśniony. Przypuszczano, iż może on wiązać się ze zwiększaniem przez kofeinę poziomu katecholamin we krwi, jednak dalsze analizy wykazały, że maksymalna wydolność nie pokrywa się z maksymalnym stężeniem adrenaliny.
Jednakże w innym badaniu suplementacja kofeiny w podobnej dawce spowodowała redukcję czasu sprintu o 1,4% i wzrost zmęczenia o 1,2%. Wydaje się, iż substancja ta daje efekty o znaczeniu klinicznym jedynie u osób, które nie używają jej na co dzień.
Przeprowadzono badanie, podczas którego grupie zdrowych mężczyzn w wieku ok. 24 lat podano dawkę 240 mg kofeiny w postaci gumy do żucia. Następnie ochotnicy wykonali zestaw ćwiczeń. Pomiary stężenia testosteronu w ślinie wykazały, iż jego poziom wzrósł o ok. 13% w stosunku do grupy przyjmującej placebo. W innym badaniu z udziałem grupy sportowców, uzyskano podobne wyniki – poziom testosteronu wzrósł o ok. 15% przy dawce 800 mg kofeiny. Dowodzi to, iż kofeina wpływa na zwiększenie wydzielania testosteronu podczas wykonywania ćwiczeń fizycznych. Badania te były jednak prowadzone na niewielkich grupach, a prowadzone pomiary nie dostarczyły informacji o stężeniu aktywnej formy testosteronu. Z tego powodu nie można potwierdzić znaczenia wzrostu poziomu tego hormonu.
U osób regularnie przyjmujących kofeinę już po 10 godzinach od jej ostatniego spożycia można zaobserwować wzrost o 30% poziomu kortyzolu w spoczynku, skorelowany z 36% wzrostem stężenia hormonu adrenokortykotropowego (ACTH). Pojedyncze, wysokie (800 mg) dawki kofeiny wpływają znacząco na zwiększenie poziomu kortyzolu podczas ćwiczeń w stosunku do grupy przyjmującej placebo. Także mniejsze dawki, np. 250 mg, mogą zwiększać wytwarzanie tego hormonu w odpowiedzi na stres fizyczny bądź psychiczny u osób pijących do pięciu kubków kawy dziennie. Wykazano, iż podniesiony o 13% poziom kortyzolu w moczu utrzymuje się do 4 godzin od spożycia 300 mg kofeiny. Niskie dawki, takie jak 150 mg dziennie, nie wpływają na poziom tego hormonu.
Kofeina wykazuje działanie przeciwbólowe, którego mechanizm wiąże się z antagonistycznym działaniem wobec adenozyny i zwiększeniem poziomu noradrenaliny w ośrodkowym układzie nerwowym. Często stosuje się połączenie kofeiny z innymi lekami, np. paracetamolem lub kwasem acetylosalicylowym, w celu wspomagania ich działania przeciwbólowego. Synergizm tych substancji polega na hamowaniu syntezy przez komórki mikrogleju prostaglandyny E2 promującej rozwijanie się stanu zapalnego. Połączenie z kofeiną zwiększa przeciwbólowe działanie leków nawet o 40%.
