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Koffein – Wirkung, Nebenwirkungen und Dosierung

Kaffee gilt als das Lieblingsgetränk der Deutschen und auch im weltweiten Maßstab findet der Aufguss der schwarzen Bohne großen Anklang. Doch vermutlich liegt das nicht nur am Geschmack. Die meisten von uns trinken ihren Kaffee aufgrund der wach machenden Wirkung und sind regelrecht abhängig von der Wirkung des im Kaffee enthaltenen Koffeins. Was dem Europäer und Amerikaner sein Kaffee, ist dem Asiaten sein Tee. Auch dieser enthält neben weiteren Stoffen signifikante Mengen Koffein. Damit stellt Methylxanthin, wie Koffein auch genannt wird, das weltweit am häufigsten konsumierte Stimulans dar. Kein Wunder, dass man es mittlerweile in vielen verschiedenen Formen kaufen kann. Wir schauen uns heute die Eigenschaften und Wirkungen von Koffein genauer an.


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Vorkommen und Struktur

Egal ob Kaffee, Tee oder Energydrinks, Koffein hat immer dieselbe Struktur. Den Unterschied in der Wirkung dieser Produkte machen die Stoffe, die neben dem Koffein enthalten sind. Auch in Kakaobohne, Kolanuss, Guarana und Yerba Mate sind signifikante Mengen der Stimulans enthalten. Der Koffeingehalt von Kaffee kann von 40 bis 180 mg pro Tasse (150 ml) reichen, grüner oder schwarzer Tee kommt auf 24 bis 50 mg je 150 ml [1]. In Deutschland liegt die Obergrenze für Koffein in Energydrinks bei 32 mg pro 100 ml, wobei eine Dose mit 500 ml einen Gehalt von 160 mg erreicht. Coca Cola kommt dagegen auf eine Menge von 10 mg pro 100 ml, was im Mittelfeld für Cola-Getränke liegt.

Die genaue chemische Bezeichnung für Koffein lautet 1,3,7-Trimethylxanthin. Verschiedene Hersteller von Trainingsboostern verwenden diesen oder ähnliche Begriffe auf ihren Etiketten, um dem Verbraucher eine völlig unbekannte Substanz zu suggerieren, doch es handelt sich um nichts weiter als das man meisten konsumierte Stimulans der Welt. Strukturelle Ähnlichkeit zu Koffein haben die beiden Stoffe Theobromin und Theophyllin, welche hauptsächlich im Kakao zu finden sind. Sie wirken auf ähnliche Weise, jedoch mit leicht unterschiedlichen Wirkungsspektren. Reines Koffein schmeckt bitter und ist der Hauptgrund für den bitteren Geschmack von Kaffee und Tee.


Wie wirkt Koffein?

Koffein wird im Darm annähernd vollständig aufgenommen und in das Blut abgegeben [2]. Seine höchste Konzentration erreicht der Stoff im Blut nach 15 bis 120 Minuten, abhängig von der Person und Aufnahmeform (Getränk, Kapsel, Kaugummi, etc.) [3]. In den meisten Fällen dauert es jedoch zwischen 30 und 60 Minuten, bis der Peak im Blut erreicht ist [4, 5]. Die Halbwertzeit (Zeit bis die halbe Menge einer Substanz vom Körper abgebaut ist) von Koffein variiert stark von Person zu Person, abhängig von der Fähigkeit, Enzyme zum Abbau zu produzieren. Eine Studie ergab Zeiten zwischen 2,7 und 9,9 Stunden [2]. Demnach wirkt Koffein auch unterschiedlich lange im Körper. Interessanterweise steigert das Rauchen von Tabak die Aktivität der Enzyme für den Koffeinabbau, weshalb Raucher in der Regel 50 bis 70 % niedrigere Koffeinspiegel im Blut nach der Aufnahme besitzen als Nichtraucher [6].

Der hauptsächliche Mechanismus hinter der Wirkung von Koffein liegt darin, dass es ein Agonist zu dem körpereigenen Stoff Adenosin an seinem Rezeptor darstellt. Die ultimative Energiequelle des Körpers ist das Adenosintriphosphat, kurz ATP. Hierbei handelt es sich um ein Molekül Adenosin, an das drei Moleküle Phosphat gebunden sind. Es vermittelt seine Energie an die Zellen, indem es Phosphatreste abspaltet. Ist die Energie aufgebraucht, bleibt nur Adenosin übrig, welches dann dem Körper und Gehirn signalisiert, dass die Energiespeicher gering sind und wir uns ausruhen müssen. Als Adenosinrezeptor-Agonist tritt Koffein nun mit Adenosin in Konkurrenz um die Bindungsstellen an den Rezeptoren. Bindet ein Koffeinmolekül statt einem Adenosin an diesem Rezeptor, kann das Signal für Erschöpfung nicht übertragen werden und wir bleiben wach. Dem Körper wird somit vorgegaukelt, dass er auf vollen Touren weiterlaufen kann. [7, 8]

Bindet Koffein (C) an die Adenosinrezeptoren, kann Adenosin (A) sein Signal nicht mehr übertragen.

Nimmt man jetzt regelmäßig Koffein zu sich, bemerkt der Körper, dass das Signal für Erschöpfung nicht mehr richtig übertragen wird und produziert daraufhin mehr Adenosinrezeptoren. Bis zu 20 % kann er die Zahl der Rezeptoren nach oben regulieren [9]. Dadurch stehen mehr freie Bindungsstellen zur Verfügung, damit Adenosin doch sein Signal übertragen kann. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass das Koffein nicht mehr so stark wirkt wie zu Beginn, man hat also eine Toleranz gegenüber Koffein aufgebaut. Nimmt man weiter Koffein auf, sorgt es oftmals lediglich dafür, dass der Körper seinen Normalzustand erreicht. Lässt man es dagegen weg, stehen überproportional viele freie Rezeptoren zur Verfügung, an die Adenosin binden kann. Das Signal der Erschöpfung wird demzufolge zu stark übermittelt. Man bekommt Entzugserscheinungen wie Kopfschmerzen und Müdigkeit, bis der Körper wieder gegenreguliert hat und die Zahl der Rezeptoren reduziert. Will man langfristig von der maximalen Koffeinwirkung profitieren, sollte man es nur gelegentlich zu sich nehmen.

Den grundsätzlichen Mechanismus hinter der Wirkung von Koffein haben wir damitdiskutiert. Kommen wir dazu, welche Auswirkungen es außerdem auf unseren Körper hat.

Herzgesundheit und Blutdruck

Oft wird behauptet, Koffein sei schädlich für das Herz. In der Tat kann das Stimulans die Blutgefäße temporär verengen und dadurch den Blutdruck kurzfristig steigern, was einen Marker für das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen darstellt. Dieses Phänomen tritt jedoch meist nur bei Personen auf, die Koffein nicht regelmäßig aufnehmen [10]. Ebenso kann die Aufnahme von Stimulanzien wie Koffein die Herzrate steigern [11]. Dennoch zeigen aktuelle Meta-Analyse, dass das Risiko von Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit steigendem Koffeinkonsum eher abnimmt. Erst bei elf Tassen Kaffee pro Tag konnte ein leicht erhöhtes Risiko festgestellt werden [12].

Blutzucker, Insulin und Glykogen

Koffein kann die Verteilung von Glukose in die Muskelzellen reduzieren und dadurch den Blutzucker anheben. In Ruhe kann Koffein damit die Insulinresistenz kurzzeitig um ca. 13 % steigern sowie die Blutzuckerverteilung um 24 % reduzieren, was jedoch nicht mit einer Steigerung der Insulinproduktion einher zu gehen scheint [13, 14, 15]. Dieser Effekt scheint während körperlicher Aktivität aber aufgehoben zu sein [16].

Daraus resultierend, ist die Glykogensynthese unter Einfluss von Koffein in Ruhe um etwa 23% gehemmt [13]. Sind die Glykogenspeicher allerdings erschöpft, wie es nach dem Training der Fall sein kann, steigert Koffein die Rate in der Glykogen in den Zellen aufgebaut werden kann [17].

Übergewicht und Körperfett

In Fatburnern findet man sehr häufig Koffein und das aus verschiedenen Gründen. Oftmals wird behauptet, das Xanthin könne den Stoffwechsel ankurbeln. Tatsächlich belegen Untersuchungen, dass Koffein die Stoffwechselrate nach der Einnahme steigert. Bei Frauen konnte man zeigen, dass 4 mg/kg Körpergewicht den Energieverbrauch um 8,1 kcal pro Stunde für jeden Quadratmeter Körperoberfläche anhebt [18, 20]. Ein durchschnittlicher Erwachsener besitzt eine Körperoberfläche von 1,73 m2, was einem zusätzlichen Verbrauch von 14 kcal pro Stunde entspricht. Andere Studien konnten eine Erhöhung um bis zu 32,4 kcal bei Dosierungen von 400 mg feststellen [19]. Allerdings ist diese Steigerung des Energieverbrauches vergleichsweise gering und von kurzfristiger Natur. Langzeitstudien deuten darauf hin, dass auch hier ein Gewöhnungseffekt eintritt [21]. Ohne angepasste Ernährung und Kaloriendefizit wird man von Koffein allein keine signifikanten Mengen Körperfett verlieren.

Dennoch kann Koffein durch die Reduktion des Erschöpfungssignals, die Nebenwirkungen einer Diät abmildern. Oftmals kommt es im Zuge einer kalorienreduzierten Ernährung zu Begleiterscheinungen wie Müdigkeit und Lethargie.


Hemmt Koffein den Appetit?


Muskeln und körperliche Leistungsfähigkeit

Studien zeigen, dass Koffein die Kraftleistung steigern kann. Als Mechanismen werden dabei die reduzierte Wahrnehmung von Schmerzen und eine vermehrte Freisetzung von Kalzium in den Muskelzellen vermutet, die den Power-Output steigern können [22, 23, 24]. Dennoch zeigen Versuche eher keine Verbesserung der Maximalkraftwerte bei nur einer absolvierten Wiederholung [25, 26]. Im Wiederholungsbereich zwischen sechs und zwölf scheint eine Koffeineinnahme den Power-Output jedoch positiv zu beeinflussen, wenn man das Trainingsvolumen als Messgröße verwendet. Mit 6 mg/kg Körpergewicht konnte in Studien die Arbeitskapazität um etwa 11 bis 12 % gesteigert werden [25].

Ebenfalls mit 5 bis 6 mg Koffein pro Kilogramm Körpergewicht konnte eine Steigerung der Sprintleistung bei erfahrenen Athleten festgestellt werden [27]. Bei Sprints handelt es sich um eine kurzzeitige, hoch intensive Belastungsart, ähnlich dem Krafttraining. Zudem verbessert wohl die Einnahme von Koffein die Ausdauerleistung dosisabhängig. Der Effekt scheint mit der Gewöhnung an die Substanz jedoch zurückzugehen [28, 29, 30].


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Eine kleine Studie deutet darauf hin, dass der Muskelkater bei Personen, die nicht an Koffein gewöhnt sind, in der Spanne zwischen 48 und 72 Stunden nach dem Training reduziert ist, wenn die Probanden vor dem Training Koffein eingenommen haben. Der Effekt konnte jedoch weder nach 24 Stunden noch nach vier bis fünf Tagen gezeigt werden. [31]

Koffein ist bekannt dafür, sowohl unter Schlafmangel als auch im ausgeschlafenen Zustand bei Elite-Sportlern mit einer Dosis von 4 mg/kg den Power-Output zu steigern. Der Unterschied zwischen Intervention und Placebo war jedoch größer, wenn die Probanden weniger als sechs Stunden geschlafen haben. [32]


Koffein kann die körperliche Leistungsfähigkeit dosisabhängig steigern.

Interaktion mit Hormonen

Die Einnahme von Koffein hat gezeigt, dass es die Testosteronausschüttung in Folge des Trainings steigern kann. Auch ohne Koffein steigert Training kurzzeitig die Ausschüttung von Testosteron. Vermutlich aufgrund der gesteigerten Arbeitskapazität steigert Koffein diesen Effekt jedoch dosisabhängig weiter [33, 34]. Wir wissen allerdings, dass der akute Anstieg von Testosteron nach dem Training nicht automatisch einen gesteigerten Muskelaufbau zur Folge hat.

Die Aufnahme von Koffein in Ruhe scheint weiterhin den Cortisolspiegel zu steigern, wie einige Forschungsergebnisse zeigen [35, 36, 37, 34]. Athleten, die Koffein vor dem Training nutzen, scheinen jedoch keinen weiteren Anstieg des Cortisolspiegels, verursacht durch Koffein, zu erfahren [33, 38, 39]

Interaktion mit anderen Nährstoffen

L-Theanin ist eine Aminosäure, die in der Natur in Tee vorkommt und beruhigende Effekte hat. Die Einnahme von Koffein und L-Theanin in Kombination hat gezeigt, dass sie die Aufmerksamkeit steigert und die Konzentration erhöht [40, 41, 42, 43]. In der Praxis werden oft Dosierungen von 200 mg Koffein und 200 mg L-Theanin verwendet. Weiterhin kann L-Theanin die Nebenwirkungen von Koffein auf den Schlaf abmildern [44].


L-Theanin, Koffein und Schlaf


Taurin ist eine weitere Aminosäure, die natürlicherweise im menschlichen Körper vorkommt. Oftmals wird sie in Energydrinks zusammen mit Koffein kombiniert. Die Kombination von 150 mg Koffein und 2 g Taurin konnte in einer Studie die Schnelligkeit steigern, in der die Probanden einen kognitiven Leistungstest absolvierten. Allerdings zeigte sich keine Reduktion der Fehlerquote. [45]

Catechine aus grünem Tee wirken ebenfalls synergistisch zu Koffein. Das primäre Catechin in Grüntee, EGCG, kann den Spike von Adrenalin und Noradrenalin in Folge einer Koffeineinnahme abmildern. Es wird vermutet, dass somit die negativen Auswirkungen auf den Blutdruck sowie Angstzustände umgangen werden können [46, 47]

Sicherheit und Nebenwirkungen

Die Blutkonzentration, bei der Koffein als giftig angesehen wird, liegt bei etwa 200 µmol/L. Wenn man davon ausgeht, dass 1 mg/kg den Spiegel eine Stunde nach der Einnahme um 5-10 µmol/L angebt, entspricht dies einer Dosierung von 20-40 mg/kg oder 1,28-2,56 mg bei einer 80 kg schweren Person [48, 49, 50].

Dosierung

Die genaue Dosierung von Koffein richtet sich nach der Toleranz der jeweiligen Person sowie der Gewöhnung an die Substanz. Menschen, die sonst kein Koffein zu sich nehmen, könnten mit einer Dosierung von 1,5 mg/kg Körpergewicht beginnen und sich langsam an höhere Mengen herantasten. Studien zeigen, dass 3-6 mg/kg die körperliche und geistige Leistungsfähigkeit steigern können. Aufgrund des Gewöhnungseffektes sollte man sehr hohe Dosierungen jedoch nur sporadisch verwenden. Es bietet sich an, Koffein generell zyklisch einzunehmen, was bedeutet, regelmäßig eine Pause einzulegen.

Fazit

Koffein ist mit Abstand das am häufigsten konsumierte Stimulans der Welt. Seit Jahrtausenden verwendet es die Menschheit, um körperliche und geistige Leistungsfähigkeit zu steigern. Moderne Studien belegen diese Effekte und deuten auf die Effektivität dieses Stoffes hin. Um Maximal von einer Koffeineinnahme zu profitieren, sollte man die tägliche Dosierung aber gering halten und nur im Bedarfsfall eine höhere Menge einnehmen.


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