Введение
Кофе представляет собой очень сложную смесь более 1000 различных химических веществ, многие из которых обладают биологически активными свойствами. Для многих людей кофе является приятным дополнением к их диете и важной частью утреннего ритуала, в результате которого кофеин, входящий в состав этого напитка заряжает энергией, повышает настроение и настраивает на выполнение повседневной работы.
Научные данные, полученные в последние годы, значительно расширили наши знания о влиянии кофе на здоровье человека и во многом отвергают общепринятую точку зрения, что употребление этого напитка не относится к здоровому образу жизни. Все больше и больше эпидемиологических и клинических данных указывают на то, что регулярное употребление кофе способно снижать риск развития ряда метаболических, нейродегенеративных и онкологических заболеваний, и таким образом благоприятно влиять на здоровье человека. Многолетние наблюдения за образом жизни сотен тысяч участников эпидемиологических исследований обнаружили, что умеренное (2-3 чашки в день) употребление этого напитка способно положительно влиять на здоровье людей и замедлять развитие диабета, хронических заболеваний печени, а также снижать риски развития болезни Паркинсона и деменции.
Наиболее изученным компонентом кофе является кофеин, который обладает сильным стимулирующим эффектом и присутствует в кофе в высоких концентрациях. В связи с тем, что более 80% населения Земли ежедневно употребляет кофе, кофеин можно считать самым популярным психостимулятором в мире. Организм многих людей подвергается воздействию кофеина еще в утробе матери при регулярном употреблении кофе беременными женщинами. После рождения образ жизни подавляющего количества людей связан с употреблением кофеиносодержащих напитков, способствуя постоянному присутствию физиологически активного уровня кофеина в крови. В связи с тем, что кофе содержит наибольшее количество кофеина, и его регулярное употребление может осуществляться на протяжении всей жизни большого количества людей, возникает вопрос о том, как этот психостимулятор один или в комплексе с другими биологически активными соединениями, входящими в состав кофе, может влиять на здоровье человека, а также развитие метаболических, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний.
В этой книге проведен обширный анализ научной литературы о влиянии кофе, кофеина и биологически активных веществ, входящих в состав этого напитка на метаболические, сердечно-сосудистые и онкологические заболевания, а также когнитивные функции человека. Отдельные главы посвящены влиянию кофе на развитие плода во время беременности и токсическим эффектам высоких доз кофеина, связанных с употреблением энергетических напитков.
Биологически активные вещества входящие в состав кофе
Химический состав кофе очень сложен и включает в себя более 1000 различных органических и неорганических веществ. Наиболее хорошо изученными компонентами кофе, которые имеют доказанную биологическую активность и могут влиять на здоровье человека, являются хлорогеновые кислоты, кофеин, кафестол, кахвеол, тригонеллин и меланоидины.
Хлорогеновые кислоты
Кофе является наиболее важным источником антиоксидантов в диете многих людей, гдe употребление этого напитка наиболее популярно. Наиболее изученными антиоксидантами, обнаруженными в кофе являются хлорогеновые кислоты: кофеиновая и феруловая, которые и определяют качество кофе: его аромат и вкус. Эти вещества относятся к группе полифенолов, обладающих способностью нейтрализовать токсические метаболиты кислорода. Концентрация этих антиоксидантов наиболее высока в эспрессо, достигая 100 мг на чашку обьемом 30 мл, тогда как в 130 мл фильтрованного кофе, приготовленного из сортов арабика и робуста, содержание этих полифенолов значительно меньше, и составляет соответственно 143 и 247 мг [1].
К настоящему времени накапливается все больше данных о том, что хлорогеновые кислоты способны снижать риск развития диабета 2-го типа, который развивается в пожилом возрасте. В экспериментах на животных установлено, что эти полифенолы могут влиять на метаболические процессы в печени, снижая способность этого органа синтезировать глюкозу и жирные кислоты [2]. Кроме того, хлорогеновые кислоты и их метаболиты способны снижать уровень глюкозы в крови, повышать чувствительность органов и тканей к инсулину и ослаблять всасывание глюкозы из кишечника [3]. Помимо способности нормализовать метаболизм глюкозы, хлорогеновые кислоты также могут влиять на тонус сосудов. В клиническом исследовании, проведенном японскими учеными было обнаружено, что экстракт из зеленых необжаренных зерен кофе, содержащий 56% хлорогеновых кислот, обладал умеренным антигипертензивным эффектом и снижал систолическое и диастолическое давление на 4-5 мм рт. cт. [4]. В экспериментах на животных было обнаружено, что феруловая кислота, входящая в состав этого экстракта, обладала способностью стимулировать мускариновые ацетилхолиновые рецепторы, и тем самым снижать тонус сосудов [5]. Возможно, также, что хлорогеновые кислоты, благодаря своим антиоксидантным свойствам, способны устранять метаболические нарушения в эндотелии сосудов больных гипертонией, и усиливать биохимические процессы, контролирующие расширение сосудов. Кроме того, эти полифенолы способны ингибировать окисление липопротеидов низкой плотности в крови и эндотелии сосудов, тем самым замедляя развитие атеросклероза [6].
Кофеин
Кофеин относится к классу ксантиновых алкалоидов и является наиболее изученным компонентом кофе. Концентрация кофеина в кофе значительно различается в зависимости от способа его приготовления. Наиболее высокие концентрации кофеина содержатся в эспрессо, причем содержание этого психостимулятора может различаться в 6 раз, в зависимости от способа приготовления этого напитка, достигая иногда более 300 мг в одной порции [7]. При попадании в организм человека, кофеин быстро всасывается в желудке и кишечнике, достигая максимальной концентрации через 45-60 минут, а через 4-5 часов его уровень снижается в два раза. Инактивация кофеина происходит в печени ферментом из группы цитохромов, СYP1A2 с образованием трех метаболитов: пераксантина, теобромина и теофиллина.
Кофеин структурно похож на аденозин, эндогенный метаболит, который оказывает ингибирующий эффект на центральную нервную систему (ЦНС), активируя аденозиновые рецепторы А1 и А2A. А1 рецепторы расположены во всех структурах мозга и наибольшее их количество обнаружено в гиппокампе, мозжечке и некоторых ядрах таламуса. Напротив, А2A рецепторы расположены главным образом в дофаминергических зонах мозга. Ослабляя активность этих рецепторов в дофаминовых нейронах, кофеин способствует выбросу дофамина в синаптическую щель, и тем самым оказывает стимулирующеее и возбуждающее действие на психику человека, снижая усталость и поддерживая состояние бодрствования.
Помимо ЦНС, кофеин оказывает множество разнообразных эффектов на другие физиологические системы человека. Основные физиологические эффекты кофеина включают в себя усиление фильтрации крови почками, что приводит к усилению диуреза, активация симпатической нервной системы и повышение секреции катехоламинов. Этот алкалоид может также умеренно повышать скорость метаболизма, усиливая распад жировой ткани и термогенез.
Исследования на добровольцах показали, что кофеин способен повышать продукцию окиси азота в эндотелии сосудов и вызывать их расширение у человека [8]. Однако, преобладающий краткосрочный эффект кофеина на кровеносные сосуды является сосудосуживающим за счет повышения уровня норадреналина и адреналина в крови. Интересно отметить, что у людей регулярно употребляющих кофе, сердечно-сосудистая система становится менее чувствительна к сосудосуживающим эффектам этого стимулятора по сравнению с теми, кто употребляет этот напиток время от времени. Возможно адаптация кровеносных сосудов к кофеину при длительном и регулярном употреблении кофе обьясняет отсутствие способности кофе повышать артериальное давление у любителей этого напитка [9].
Кафестол и кахвеол
Содержащиеся в зернах кофе кафестол и кахвеол относятся к классу дитерпенов и практически полностью связаны с ненасыщенными жирными кислотами. Эти вещества придают кофе вкус горечи и содержатся в большом количестве в нефильтрованном кофе, однако в процессе фильтрования практически полностью удаляются из напитка. Научные данные указывают на то, что кафестол и кахвеол способны активировать ферменты печени, участвующие в инактивации токсических веществ, поступающих в организм человека с пищей, а также устранять вредное влияние высокореактивных метаболитов кислорода, образующихся в процессе энергетического обмена веществ [10]. Однако, эти компоненты кофе также способны повышать уровень холестерина в крови, поэтому людям с нарушенным обменом липидов употребление нефильтрованного кофе не рекомендуется.
Тригонеллин
N-метилникотиновая кислота, известная как тригонеллин, содержится в зеленых кофейных зернах, и при их обжарке почти полностью превращается в никотиновую кислоту. В экспериментах на животных обнаружено, что тригонеллин может снижать уровень глюкозы и инсулина в крови крыс с ожирением и диабетом, тем самым замедляя развитие этого метаболического заболевания [11]. Кроме того, этот компонент кофе обладает способностью нормализовать уровни холестерина и триглицеридов в экспериментальной модели диабета за счет снижения активности ферментов печени, участвующих в синтезе жирных кислот и метаболизме глюкозы [12]. Важным свойством тригонеллина является его способность повышать синтез ферментов, участвующих в нейтрализации высокореактивных форм кислорода, и ослаблять развитие окислительного стресса в ткани поджелудочной железы, тем самым замедляя развитие диабета [13]. Способность тригонеллина быстро снижать уровень глюкозы в крови была также обнаружена у мужчин с ожирением, однако этот эффект был кратковременным. Возможно, что природное сочетание тригонеллина и хлорогеновых кислот, обнаруженое в кофе, может обьяснить сниженный риск развития диабета 2-го типа у людей, регулярно употребляющих умеренное количество кофе [14].
Меланоидины
Меланоидины образуются в процессе обжарки кофейных зерен и являются высокомолекулярными полимерами коричневого цвета, состоящими из химических соединений аминокислот и сахаров. Человек, употребляющий умеренное количество кофе, в среднем получает 0.5-1 грамм меланоидинов в день. Научные данные указывают на то, что эти компоненты кофе обладают антиоксидантной активностью и способны снижать окисление липидов. Благодаря своему высокому молекулярному весу, меланоидины могут выполнять функцию пищевой клетчатки: благоприятно влиять на микрофлору толстого кишечника, усиливать его перестальтику и снижать риск развития онкологических процессов в этом органе, нейтрализуя токсические метаболиты кислорода [15]. Кроме того, возможно, что эти природные полимеры обладают способностью подавлять развитие вредной микрофлоры в кишечнике благодаря их способности связывать ионы железа и магния [16].
Эффекты кофеина на выносливость и физическую работоспособность
Стимулирующие эффекты кофеина на физическую работоспособность впервые были описаны 100 лет назад [17], и до 2004 года спортсмены, выступающие на Олимпийских играх, подвергались дисквалификации, если концентрация кофеина в моче превышала 12 мкг/мл, которая могла быть достигнута при употреблении 7-10 чашек кофе в день. Запрет на употребление кoфеина спортсменами был снят Всемирным антидопинговым агенством в 2004 году, что стимулировало интерес к изучению влияния этого психостимулятора на спортивные результаты в различных видах спорта.
В настоящее время считается, что кофеин повышает физическую работоспособность благодаря активации ЦНС, а не за счет прямого воздействия на энергетический обмен в мышцах. Кофеин улучшает спортивные результаты начиная с дозы 3 мг на кг веса (225 мг для человека весом 75 кг) и оптимальный, длительный эффект этого психостимулятора наблюдается при дозах 5-7 мг на кг веса [18]. Важно также знать, что дозы кофеина ниже 4 мг на кг веса (около 300 мг), принятые после еды перед физической нагрузкой или соревнованиями, могут не оказать положительный эффект на физическую работоспособность и выносливость, в связи с ослаблением поступления кофeина из желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) в кровь. Кроме того, этот алколоид повышает выносливость к физическим нагрузкам в течение короткого времени, которое не превышает несколько часов после приема из-за быстрого метаболизма в печени.
Обобщая эффекты кофеина на физическую нагрузку, можно сказать, что этот психостимулятор умеренно повышает выносливость, мышечную силу и реакцию во многих видах спорта. У спортсменов регулярно принимающих кофе, кофеин способен поддерживать высокий темп тренировок и выносливость за счет повышенной концентрации внимания и снижения восприятия боли. Сообщалось, что при игре в теннис, которая требует высокой концентрации внимания, прием кофеина повышал точность удара, скорость перемещения по площадке, и в целом способствовал успеху в игре, очевидно благодаря более высокой реакции и хорошей концентрации внимания [19].
Интересно отметить, что случайный и непреднамеренный отказ от приема кофе, вызванный разными обстоятельствами, может приводить к снижению спортивных результатов у спортсменов, регулярно употребляющих этот напиток. В том случае, если спортсмен решил снизить или полностью отказаться от употребления кофеина, рекомендуется осуществлять этот процесс постепенно, в течение не менее 7 дней до соревнований, чтобы избежать симптомов абстиненции. Возобновление употребления кофе или кофеина перед соревнованиями после недельного воздержания значительно повышает чувствительность спортсмена к этому алколоиду и улучшает его спортивные показатели [19]. Необходимо также отметить, что существуют значительные индивидуальные различия в чувствительности к кофеину, и спортсмены всегда должны подбирать наиболее оптимальные для них дозы, чтобы избежать передозировки, сопровождающейся повышенной тревожностью и проблемами с ЖКТ.
Установлено, что низкие (150 мг) дозы кофеина способны улучшать когнитивные функции, а высокие (350 мг) повышают физическую работоспособность. Таким образом, если во время соревнований требуется повышенная концентрация внимания и скорость реакции в сочетании с высокой мышечной активностью, то употребление средних (250-300 мг) доз кофеина должно настроить организм спортсмена на достижение наилучшего результата. Однако высокие дозы кофеина, превышающие 7 мг на кг веса (около 500 мг при среднем весе человека 70 кг), часто не оказывают положительного эффекта на выносливость и физическую работоспособность у людей редко или совсем не употребляющих кофе или кофеиносодержащих напитков. Таким людям рекомендуется значительно снизить дозу кофеина, чтобы достигнуть оптимального положительного эффекта на работоспособность. Напротив, у людей регулярно пьющих кофе высокие дозы кофеина способны значительно повышать физическую выносливость, повидимому из-за более низкой чувствительности аденозиновых рецепторов к этому алкалоиду или его повышенного метаболизма ферментами печени [20].
Эффекты кофеина на физическую и умственную работоспособность также изучались на элитных солдатах из диверсионно-разведывательной группы военно-морских сил США (известные как ”морские котики”). Солдаты подвергались интенсивным физическим нагрузкам и были лишены сна в течении трех дней. Эксперименты показали, что кофеин в дозах 200-300 мг улучшал внимание, реакцию на предьявляемые стимулы, а также ослаблял усталость и сонливость, однако не влиял на меткость стрельбы [21]. Максимальный эффект кофеина наблюдался через час после приема. Эти данные были подтверждены последующими исследованиями, показавшими, что кофеин в дозе 200 мг улучшал физическую выносливость при ночном марш броске, но не влиял на меткость стрельбы. Однако, когда солдаты получали 3 дозы кофеина по 200 мг в течении второй бессонной ночи, их способность обнаруживать и поражать цели значительно улучшалась, хотя этот эффект длился не больше 2-3 часов [22]. Таким образом, эти исследования ясно показали, что кофеин способен стимулировать и поддерживать умственную и физическую активность во время ночных тренировок и спецопераций, когда время для сна очень ограничено или полностью отсутствует. В настоящее время рекомендованная доза кофеина для солдат участвующих в ночных тренировках составляет 200 мг каждые 2 часа в течении бесонной ночи. Учитывая психостимулирующее свойство кофеина, министерство обороны США одобрило употребление жевательной резинки содержащей кофеин для военослужащих и включило его в специальные продуктовые наборы.