Bei der Arbeit, im Straßenverkehr oder allgemein in Situationen, die hohe Anforderungen an Aufmerksamkeit und Reaktionsvermögen stellen, ist Wachheit gleichbedeutend mit Sicherheit und Leistungsfähigkeit. Mit bestimmten Wirkstoffen kann man den natürlichen Rhythmus von Wachen und Schlafen teilweise beherrschen, wobei jedoch oft Nebenwirkungen auftreten.

Koffein ist nicht nur eines der ältesten Aufputschmittel, sondern auch eines der wirksamsten und am besten verträglichen. Die meisten von uns nehmen es täglich in Form einer Tasse Kaffee zum Frühstück zu sich, um die letzten Reste von Müdigkeit abzuschütteln und sich für den Tag fit zu machen.

Wie Koffein diesen Muntermachereffekt und andere Wirkungen ausübt, konnte inzwischen auf physiologischer Ebene geklärt werden. Demnach konkurriert es mit einer körpereigenen Substanz um deren Andockstelle. Wenn es sich daran heftet, sind die Folgen allerdings entgegengesetzt: Statt hemmend wirkt es aktivierend auf eine wichtige Signal- und Reaktionskaskade innerhalb der Zelle.

Auch Pharmakologen interessieren sich schon länger für Koffein. Inzwischen prüft man, inwieweit es sich als Komponente von Psychostimulanzien für all jene Berufsgruppen eignet, bei denen Wachsein oberste Priorität hat. Dabei geht es vor allem darum, eine Form der Verabreichung zu finden, die eine lange Wirkdauer garantiert und unerwünschte Nebenwirkungen vermeidet. Zu den unliebsamen Folgen von Koffein in hohen Dosen gehören vor allem Harndrang, aber auch Herzrasen, Zittern und Nervosität. Inzwischen gelang die Entwicklung eines "Koffeins mit langsamer Freisetzung", das die positiven Effekte optimiert und die negativen weitgehend ausschaltet.

Siegeszug einer Bohne aus Arabien

Um die Entdeckung des Kaffees ranken sich viele Legenden. Nach einer bemerkte ein Hirte im Jemen, dass seine Schafe in einen ungewohnten Zustand der Aufregung gerieten, sobald sie die Früchte eines bestimmten Gebirgsbaumes fraßen. Er teilte seine Beobachtung einem Mönch aus dem benachbarten Kloster mit, der daraufhin die Beeren sammeln ging, sie trocknete und daraus einen Aufguss zubereitete, den er seinen Mitbrüdern zu trinken gab. Diese waren danach in den nächtlichen Gebeten mit viel mehr Ausdauer und Eifer bei der Sache.

Die ersten schriftlichen Zeugnisse von Kaffee finden sich im 9. und 11. Jahrhundert bei zwei persischen Ärzten: Rhazes (865-923) und Avicenna (980-1037). Beide erwähnen ein Stärkungsmittel, das aus dem Jemen stammt. Ausfuhrhafen für Kaffee war Al Mukha (das heutige Mokka). Von dort gelangten die Bohnen über Dschidda (im heutigen Saudi-Arabien), wo sie auf große Schiffe oder Galeeren umgeladen wurden, ins ägyptische Suez. In Ballen von 150 Kilogramm nahmen sie dann die Karawanenstraßen nach Kairo oder Damaskus.

Der Verkauf von Kaffee begann in Mekka, der heiligen Stadt des Islam und Ziel muslimischer Pilger. Hier machten die ersten Kaffeehäuser auf. Im 16. Jahrhundert gelangte das Getränk in die Türkei und im Jahr 1615 nach Venedig. Griechische, türkische und armenische Händler brachten es dann nach Frankreich. Als Geschenk des türkischen Botschafters Soliman Afga hielt Kaffee 1669 Einzug am Hof Ludwigs XIV.

Binnen Kurzem verbreitete sich das neue Modegetränk über ganz Europa; in allen großen Städten schossen Kaffeeläden aus dem Boden. Auch Beethoven gehörte zu den passionierten Kaffeetrinkern. Bei der Zubereitung war er äußerst pingelig: Genau sechzig Bohnen zählte er für eine Tasse ab. Um das Jahr 1734 schrieb Bach seine "Kaffeekantate"; immerhin pflegte das von ihm geleitete Collegium Musicum in den Lokalitäten des Leipziger Cafetiers Gottfried Zimmermann aufzutreten. Später trank Balzac bis zu dreißig Tassen am Tag und widmete dem Kaffee und seinen Wirkungen eine umfangreiche Abhandlung.

Doch gab es auch ablehnende Stimmen. Der preußische König Friedrich der Große erklärte 1777, mit Kaffee getränkte Soldaten könnten gegen Biertrinker keine Schlachten gewinnen. Bei der damaligen Kriegsführung war vielleicht die durch einen leichten Rausch hervorgerufene Euphorie nützlicher als extreme Klarsicht und Wachheit; denn die Infanteristen mussten ungeachtet der Gefahr, von der nächsten Salve niedergemäht zu werden, standhaft weiter vorrücken.

Der französische Kaufmann und Weltreisende Sylvestre Dufour machte im 17. Jahrhundert erste Beobachtungen wissenschaftlichen Charakters über die Wirkungen der schwarzen Bohnen. "Wenn unsere französischen Kaufleute die ganze Nacht arbeiten wollen, trinken sie am Abend eine oder zwei Tassen Cahué", schrieb er. "Nach dem Abendessen verhindert er das Einschlafen, daher wird er dann von Leuten getrunken, die nachts studieren wollen."

Die Fähigkeit des Kaffees, Müdigkeit zu vertreiben, fiel demnach als erste auf. Gleichzeitig berichtete Dufour, dass das Getränk, "nüchtern genossen, sich im Magen in Galle verwandelt und ihn zerfrisst … Daher sieht man jeden Morgen an den Pforten von Kaffeehäusern eine Unmenge von Biscuit- und anderen Gebäckverkäufern." Der Kaufmann konstatierte jedoch auch, dass "der Kaffee in wunderbarer Weise die erste Verdauung unterstützt. Die erste Verdauung ist die Umwandlung der Nahrungsmittel im Magen in eine weiße, flüssige Substanz, Chylus oder Milchsaft genannt".

Das Weckmolekül

Hat der Kaffee nun einen schädlichen Einfluss auf die Verdauung oder nicht? Und wie verlängert er den Wachzustand? Erst moderne Untersuchungen haben Antworten auf diese Fragen geliefert. Insbesondere ergaben sie, dass Kaffee eine Mischung von ganz unterschiedlichen Bestandteilen ist, die den Organismus verschieden beeinflussen. So enthält er Mineralsalze, Saccharide (Zucker), Proteine, Lipide (Fettstoffe) und Vitamine. Der aktivste Bestandteil aber ist das Koffein.

Am 3. Oktober 1819 besuchte der "junge Chemikus Runge" Goethe in Jena. Nach Gesprächen über Gifte in Pflanzen, so erinnert sich Friedlieb Ferdinand Runge (1794-1867) später, "übergab er (Goethe) mir noch eine Schachtel mit Kaffeebohnen, die ein Grieche ihm als etwas ganz Vorzügliches gesandt. ›Auch diese können Sie zu Ihren Untersuchungen brauchen!‹ sagte Goethe. Er hatte Recht; denn bald darauf entdeckte ich darin das wegen seines großen Stickstoffgehaltes so berühmt gewordene Koffein". Bei der farblosen, in Wasser und Alkohol löslichen Substanz, die Runge durch eine Serie von Destillationen erhielt, handelt es sich um ein Alkaloid – ein Mitglied aus der Klasse pflanzlicher Naturstoffe, zu denen auch das Nikotin im Tabak, das Theobromin im Kakao und das Theophyllin im Tee gehören.

War Kaffee zu Goethes Zeiten noch ein Luxusartikel, den sich nur Wohlhabende leisten konnten, so ist er heute zum Alltagsgetränk geworden. Weltweit werden täglich eine Milliarde Tassen konsumiert. Jede davon enthält um die hundert Milligramm Koffein – eine relativ konstante Dosis, ob man nun Espresso oder Filterkaffee trinkt. Auch die Nahrungsmittelindustrie verbraucht das Aufputschmittel. So werden Cola-Getränke und "Energydrinks" damit versetzt: Der Koffeingehalt eines Liters entspricht dem einer Tasse Kaffee. Ebenso befindet sich die Substanz in Schokoriegeln; ihre Menge erreicht hier etwa ein Fünftel derjenigen in einer Tasse Kaffee. Im Übrigen enthalten auch zahlreiche Medikamente Koffein. Das gilt vor allem für Mittel gegen Migräne, Schmerzen und Fieber. Die Höchstmenge in einer solchen Tablette entspricht dem Gehalt einer Tasse Kaffee.

Für Kinder ist das "versteckte" Koffein nicht unproblematisch. Drei Dosen Cola und drei Schokoriegel enthalten das Äquivalent von zwei Tassen Kaffee. Ein dreißig Kilogramm schweres Kind erreicht damit eine Konzentration von sieben Milligramm Koffein pro Kilogramm Körpergewicht. Für ähnlich hohe Werte braucht ein Erwachsener vier bis sechs Tassen Kaffee. Da ist es kein Wunder, wenn ein solches Kind Schlafprobleme bekommt.

Zwischenstation Blutkreislauf

Die Resorption von Koffein findet teilweise im Magen, hauptsächlich aber im Darm statt. Das Blut befördert den Stoff dann zu den verschiedenen Organen. Wie schnell das Koffein vom Körper aufgenommen wird, hängt stark vom Mageninhalt ab. Eine reichhaltige Mahlzeit braucht mehrere Stunden, bis sie verdaut ist und in den Darm weiterwandert. Dadurch verlängert sich zugleich die Verweilzeit des Kaffees im Magen, und das Koffein wird langsamer resorbiert. Denselben Effekt hat, wenngleich in geringerem Maße, die Zugabe von Milch; denn Milch ist alkalisch und reich an Proteinen, Galaktose und Fetten, was gleichfalls die Entleerung des Magens verlangsamt. Aus ähnlichen Gründen tritt das Molekül auch dann verzögert in den Blutkreislauf über, wenn es mit kohlensäurehaltigen Getränken statt mit Tee oder Kaffee aufgenommen wird.

Erst einmal in den Adern angelangt, erreicht das Koffein in weniger als fünf Minuten die Organe und das Nervensystem. Allerdings wird rund ein Drittel der Menge im Blutplasma an Proteine wie Albumin gebunden und bleibt inaktiv. Bei älteren Menschen enthält das Blut weniger Eiweißstoffe, weil ihr Proteinstoffwechsel verlangsamt ist: Die Leber bildet nicht mehr so viele Proteine, und die Nieren lassen mehr davon passieren. Daher ist bei diesen Menschen der Anteil an freiem Koffein im Blut höher und die anregende Wirkung entsprechend stärker.

Wie stark die Droge wirkt, hängt aber auch davon ab, wie schnell sie wieder abgebaut wird. Der Abbau geschieht in der Leber, wo Enzyme jene Methylgruppen vom Molekül entfernen, die ihm seine Aktivität verleihen. Im Allgemeinen ist die Koffeinmenge im Blut nach etwa vier Stunden auf die Hälfte gesunken.

Die Aktivität der abbauenden Enzyme in der Leber variiert allerdings von Mensch zu Mensch und hängt zudem von diversen Umweltfaktoren ab. So wird sie durch polyzyklische Kohlenwasserstoffe gesteigert, die im Zigarettenrauch enthalten sind. Raucher scheiden Koffein deshalb schneller aus. Auch bestimmte Medikamente enthalten Stoffe, welche die Leberenzyme anregen und so den Abbau der Droge beschleunigen.

Umgekehrt verhalten sich gewisse Hormone wie Östradiol, die in der Antibabypille enthalten sind: Sie senken die Aktivität der Enzyme. Sie werden nämlich auch von diesen Enzymen abgebaut, sodass sie einen Teil davon belegen, der dann nicht mehr für das Koffein zur Verfügung steht. Dieses bleibt daher länger im Blut. Aus demselben Grund kann bei schwangeren Frauen manchmal eine einzige Tasse Kaffee einen ganzen Tag lang wirken. Außerdem hat das Koffein, das sehr leicht in alle Gewebe diffundiert, im Blut von Mutter und Fötus dieselbe Konzentration. Man kann schwangeren Frauen also nur raten, möglichst auf den Genuss von Kaffee zu verzichten.

Bevor ich nun die Wirkungen des Koffeins näher beschreibe, möchte ich kurz auf einen scheinbaren negativen Effekt eingehen, der ihm gelegentlich zugeschrieben wird und den auch Dufour im obigen Zitat erwähnte. Manchmal hat man den Eindruck, dass allzu viel Kaffee im Laufe des Tages die Verdauung beeinträchtigt und Sodbrennen verursacht. Das kann jedoch nicht dem Koffein angelastet werden; denn bei entkoffeiniertem Kaffee treten die gleichen Symptome auf. Kaffee ist eine komplexe Mischung aus Hunderten von Substanzen, von denen einige auf das Verdauungssystem wirken. Sie verursachen insbesondere eine Kontraktion der Gallenblase sowie die Ausscheidung von Pankreassaft und einen Anstieg in der Konzentration der Verdauungshormone Cholezystokinin und Gastrin. Letzteres regt die Sekretion von Magensäure an und aktiviert die Magendarmbewegung, was zu übersäuerung und Reflux in die Speiseröhre führen kann. Koffein ist daran nicht beteiligt.

Eingriff in eine zentrale Signalkaskade

Was aber sind die eigentlichen Wirkungen von Koffein, und wie ruft es sie hervor? Es gibt einen Hauptmechanismus, über den die Droge die verschiedensten Organe und Gewebe beeinflusst: Sie bindet sich an die Andockstellen für Adenosin. Dieses kleine, im Organismus allgegenwärtige Molekül bildet sich überall dort, wo der zellinterne Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) verbraucht wird, dessen Zersetzungsprodukt es ist. Wenn Adenosin an seine Rezeptoren andockt, hemmt es das Enzym Adenylatcyclase. Heftet sich stattdessen das Koffein an dieselben Rezeptoren, hat das die entgegengesetzte Wirkung: Die Adenylatcyclase wird aktiviert. Als Folge davon löst sie die Bildung des chemischen Botenstoffes cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) aus, der seinerseits so genannte Proteinkinasen aktiviert.

Diese Signalkaskade hat in verschiedenen Geweben unterschiedliche Folgen. In Muskeln beeinflussen die Proteinkinasen die Kontraktion der Fasern. Allerdings hängt die Art des Effekts vom jeweiligen Muskeltyp ab. Die Muskelfasern der Blutgefäßwände werden veranlasst, sich zusammenzuziehen. Dadurch steigt der Blutdruck. Dagegen dehnen sich die Muskeln in den Wänden der Bronchialgefäße aus; diese Bronchodilatation erleichtert den Atmungsvorgang.

Außerdem kurbelt Koffein den Fettstoffwechsel an. Das cAMP, dessen Synthese es durch Bindung an die Adenosinrezeptoren in Gang setzt, stimuliert nämlich die Lipasen, also die Enzyme für den Abbau von Fett. Diese transformieren es in energiereiche Stoffwechselprodukte, was eine zusätzliche Möglichkeit zur Energiegewinnung darstellt – außer dem Verbrauch von Zucker und dem Abbau von Glykogen, der Zuckerreserve des Organismus.

Als Folge davon hat Koffein auch "Doping"-Eigenschaften. Den Beweis lieferten unter anderem Experimente, bei denen sitzende Versuchspersonen ein am Knöchel befestigtes Gewicht bei gestrecktem Bein in der Luft halten sollten. Die Zeitspanne, während der sie das schafften, war um gut 15 Prozent länger, wenn sie eine Stunde zuvor drei bis vier Tassen Kaffee getrunken hatten.

Aus diesem Grund betrachten auch Sportler Koffein als Dopingmittel, das die Atmungskapazität und die Ausdauer erhöht. Allerdings muss man, um in flagranti erwischt zu werden, mehr als fünf Tassen Kaffee an einem Tag trinken. Das Team des niederländischen Triathleten und Radsportlers Asker Jeukendrup, der an der Universität Birmingham Trainingsphysiologie und Ernährung für Sportler lehrt, hat auf einem virtuellen Radkurs über vierzig Kilometer den Nutzen diverser Maßnahmen ermittelt. Seiner Computersimulation zufolge ist Training immer noch am effektivsten: Es verbessert die Zeit um eine bis sieben Minuten. Mit einer aerodynamisch günstigen Haltung lassen sich gleichfalls einige Minuten gewinnen. Aber auch Koffein in mäßigen Dosen bringt immerhin 55 bis 84 Sekunden, während bei einem längerer Aufenthalt in der Höhe als Vorbereitung nur rund 30 Sekunden herausspringen.

Indem Koffein die Blutgefäße verengt, vermindert es zugleich die Durchblutung des Gehirns und damit dessen Versorgung mit Glucose. Das Gehirn reagiert äußerst empfindlich auf eine Hypoglykämie, also den Abfall des Blutzuckerspiegels unter Normalwerte. Schon lange bevor die Muskeln dieses Energiedefizit bemerken, kommt es zu Kopfschmerzen, Schweißausbrüchen und Schwindel- oder gar Ohnmachtsanfällen. Koffein verstärkt die Wirkung einer Unterzuckerung auf das Gehirn noch, sodass sich die Alarmsignale vorzeitig einstellen. Deshalb empfiehlt man Personen mit dem Risiko einer Hypoglykämie die Droge in mäßigen Dosen – vor allem jenen, die Antidiabetika einnehmen.

Was verursacht die harntreibende Wirkung von Koffein? Letztlich ist es ein indirekter Effekt, der auf der Kontraktion der Gefäßwände beruht. Als Reaktion auf den erhöhten Blutdruck steigern die Nieren den Filtrationsdurchsatz und verringern so das Blutvolumen. Bei drei Tassen Kaffee in zwei Stunden steigt die Urinmenge um dreißig Prozent.

Doch kommen wir nun zur wichtigsten Eigenschaft von Koffein: seiner Fähigkeit, wach zu halten. Auch diese Wirkung beruht auf seiner Bindung an den Adenosinrezeptor. Dessen Rolle beim Schlafen wird schon seit über einem Jahrhundert erforscht. Im Jahre 1912 hielten die Physiologen René Legendre und Henri Piéron Hunde mehrere Tage lang künstlich wach. Anschließend entnahmen sie ihnen Hirn-Rückenmark-Flüssigkeit (Liquor cerebro-spinalis) und injizierten sie in das Gehirn von gerade geweckten Tieren. Diese schliefen daraufhin sofort wieder ein. Demnach sammeln sich im Wachzustand im Gehirn Substanzen an, die quasi "Sandmännchen" spielen. Seit den 1970er Jahren mehrten sich die Hinweise, dass es sich bei einer dieser Substanzen um Adenosin handelt.

Regulation des Schlafbedürfnisses

Den Beweis dafür lieferten 1997 Tarja Porkka-Heiskanen und ihre Kollegen an der Universität Helsinki. Sie ließen Katzen stundenlang ununterbrochen spielen und hinderten sie so am Einschlafen. Gleichzeitig maßen sie mit Hilfe von Sonden, die sie durch die Schädeldecke eingeführt hatten, die Adenosinkonzentration im Gehirn. Diese nahm stetig zu, während die Katzen in ihrem künstlichen Wachzustand von Stunde zu Stunde immer müder wurden. Sobald die Tiere jedoch einschliefen, sank sie wieder.

Je länger man wach ist, desto mehr Adenosin sammelt sich also im Gehirn an: es bildet eine Art "Müdigkeitssignal". Indem es seine Rezeptoren zunehmend sättigt, hemmt es die Adenylatcyclase immer stärker, sodass die Produktion von cAMP stetig abnimmt. Verschiedene molekulare Kaskaden verursachen daraufhin kritische Veränderungen in den Wach- und Schlafzentren und lassen das Gleichgewicht vom Wach- in den Schlafzustand umkippen.

Adenosin ist folglich ein hochwirksamer Regulator des Schlafbedürfnisses. Weil es sich beim Wachen im Gehirn anhäuft, nimmt die Müdigkeit zu, je länger wir wach bleiben. Während des Schlafens wird es dann wieder abgegeben und verbraucht. Da Koffein als Gegenspieler von Adenosin agiert, kann man es als Anti-Müdigkeitsmittel ansehen. Wenn es sich an die Adenosin-Rezeptoren bindet, aktiviert es die Adenylatcyclase und löst so molekulare Kaskaden aus, die den Wachzustand verlängern. Dadurch wirkt es als Anregungsmittel.

Manchmal sind Piloten lange im Einsatz – etwa bei Langstreckenflügen, die 10 bis 15 Stunden dauern und denen ebenso ausgedehnte Vorbereitungszeiten vorausgehen. Dabei müssen sie jederzeit über einen klaren Kopf verfügen. In einem Forschungsprojekt mit Didier Lagarde und Maurice Beaumont vom militärischen Gesundheitsdienst in Brétigny-sur-Orge sowie Françoise Chauffard vom Nestlé-Forschungszentrum in Lausanne haben wir deshalb das Verhalten von Piloten während langer Wachzeiten untersucht und die Wirkung von Koffein erforscht. Dabei wollten wir herausfinden, wie es gelingt, von den positiven Effekten zu profitieren, ohne den negativen ausgesetzt zu sein, die vor allem bei hoher Dosierung gelegentlich auftreten. Zu solchen unerwünschten Begleiterscheinungen des Kaffeegenusses gehören, wie anfangs erwähnt, neben der harntreibenden Wirkung vor allem Phänomene wie Herzrasen, Zittern und Nervosität.

In unserem Projekt haben wir verschiedene Formen der Verabreichung von Koffein getestet. So untersuchten wir ein "Koffein mit langsamer Freisetzung". Dabei sind 300 Milligramm der reinen Substanz in Gelatinekapseln verpackt, und ein Bindemittel sorgt dafür, dass der Wirkstoff nur allmählich in den Darm und das Blut abgegeben wird. Die Koffeinkonzentration verteilt sich dadurch gleichmäßiger über größere Zeiträume. Damit bleibt sie auch viel länger oberhalb der Wirksamkeitsschwelle. Das ist jener Wert, der im Durchschnitt den Wachzustand aufrechterhält. Gleichzeitig werden die Nebenwirkungen vermieden, die hauptsächlich von einem starken Anstieg der Konzentration herrühren.

Beim ganz normalen Kaffeetrinken schnellt der Koffeinspiegel im Blut rasant empor und sinkt dann ebenso rasch wieder ab. Dadurch ist er nur für rund zwei Stunden hoch genug, um die üblichen Wirkungen hervorzurufen. Bei verlängerter Koffeinabgabe bleibt die wirksame Konzentration dagegen fast zehn Stunden bestehen.

In unseren Versuchen mussten sich die Teilnehmer zugleich so genannten Überlebenstests unterziehen. Während dieses Trainings litten sie unter Stress und Schlafmangel, was Fähigkeiten wie Kopfrechnen, Kartenlesen und die Motorik beeinträchtigte. Im Laufe der Zeit ließen Geschicklichkeit und Aufmerksamkeit nach, und ein Schwächegefühl stellte sich ein. Geistige Leistungen, die uns als Maß dienten, dauerten immer länger. Dosiert freigesetztes Koffein in Gelatinekapseln mildert alle diese negativen Effekte – so das Fazit unserer Untersuchungen. Die Versuchsteilnehmer, die dadurch konstant unter dem Einfluss des Anregungsmittels blieben, konnten ihre Aufgaben besser erfüllen. Allerdings fühlten sie sich am Ende reizbarer und waren weniger umgänglich als ihre Kollegen, die nichts eingenommen hatten.

In einer weiteren Studie hinderten wir Freiwillige 64 Stunden lang am Schlafen. Wenn sie alle zwölf Stunden eine Koffeinkapsel schluckten, blieben Konzentrationsfähigkeit und psychomotorische Leistungen bis zum zweiten Tag voll erhalten. Anderenfalls gingen diese Fähigkeiten schon in der ersten Nacht deutlich zurück.

Verstellen der inneren Uhr

Koffein kann aber nicht nur den Wachzustand aufrechterhalten, sondern auch helfen, die innere Uhr zu verstellen, um sie etwa an eine andere Zeitzone anzupassen. Üblicherweise schüttet die Epiphyse oder Zirbeldrüse im Gehirn nachts das Hormon Melatonin aus, das den Rhythmus von Wachen und Schlafen regelt. Tageslicht blockiert die Nervenbahnen, welche diese Sekretion stimulieren. Das Auf und Ab in der Melatoninausschüttung folgt daher genau dem Wechsel von Tag und Nacht. Wird einer der Parameter geändert, so kippt das Gleichgewicht. Nach einem Nachtflug von New York nach Berlin wird es "zu früh" hell. Die Zirbeldrüse gibt Melatonin daher auch noch am Tag ab, und man fühlt sich schläfrig. Der Reisende leidet unter Jetlag, weil seine innere Uhr und die äußeren Bedingungen aus dem Gleichtakt geraten sind.

Was kann man dagegen unternehmen? Um den Jetlag zu mildern, wird in den USA manchmal Melatonin verschrieben. Am frühen Abend eingenommen, soll es die Konzentration des Hormons zum Beginn der Nacht hin erhöhen. Auf diese Weise hofft man, die Schlafphase neu einzujustieren und so die innere Uhr zu verstellen.

In einem Experiment haben wir die Wirksamkeit von Melatonin und Koffein gegen den Jetlag verglichen. Dabei flogen Testpiloten von San Antonio in Texas nach Mont-de-Marsan in Frankreich, ein zehnstündiger Flug mit einer Zeitverschiebung von sieben Stunden. Vor dem Start mussten sie sich kognitiven und psychomotorischen Tests unterziehen, die Aufschluss über ihre Leistungsfähigkeit gaben. Außerdem wurden verschiedene physiologische Parameter wie Puls und Blutdruck gemessen.

Einige Teilnehmer nahmen zwei Tage vor bis drei Tage nach dem Flug jeweils am späten Nachmittag Melatonin ein. Andere erhielten nach dem Flug fünf Tage lang am Morgen eine Koffeinkapsel mit verlängerter Freisetzung des Wirkstoffs. Wieder andere schluckten ein Placebo, also ein Medikament ohne Wirkstoff, das jedoch genauso aussah wie die Melatonin- oder Koffeinkapseln. Nach dem Flug prüften wir wiederum die kognitiven und psychomotorischen Fähigkeiten und maßen die physiologischen Parameter, um Aufschluss über die Verschiebung der biologischen Rhythmen durch die Zeitverschiebung zu erhalten.

Bei diesem Versuch erwies sich Koffein als sehr wirksam. Am Morgen eingenommen, wird es an die Adenosinrezeptoren der Zirbeldrüse gebunden und hemmt die Freisetzung von Melatonin. Indem es die Abgabe des Hormons im richtigen Moment unterdrückt, verstärkt es also die Wirkung des Tageslichts. Dadurch gleicht sich die innere Uhr um eine Stunde pro Tag dem neuen Hell-Dunkel-Rhythmus an. Die Versuchsteilnehmer überwanden die Zeitverschiebung deshalb vier Tage früher als die Mitglieder der Kontrollgruppe mit Placebo. Gegenüber Melatonin hatte Koffein den Vorteil, dass es nicht schläfrig macht.

Wenn ein Autofahrer die Herrschaft über sein Fahrzeug verliert, liegt das meist an mangelnder Wachheit – immerhin zehn bis zwanzig Prozent aller Verkehrsunfälle haben diese Ursache. Deshalb ist es wichtig, regelmäßige Ruhezeiten einzuhalten. Zusätzlich empfiehlt die Internationale Konferenz über Ermüdungserscheinungen und die Unfallrisiken im Straßenverkehr aber auch die Einnahme von Koffein. Die Arbeitsgruppe von Elke de Valck an der Universität Brüssel hat die Fähigkeit von Fahrern geprüft, ihren Wagen nach bestimmten Zeitspannen ohne Schlaf noch zu beherrschen. Dabei erwies sich die Einnahme von Koffein mit verzögerter Freisetzung als ausgesprochen günstig: Das Risiko, die Kontrolle über das Fahrzeug zu verlieren, war danach deutlich geringer.

Bei der Schifffahrt ist die Wache auf der Brücke oft monoton, sodass die Aufmerksamkeit allmählich nachlässt. Auch hier verbessert die Einnahme von Koffein die Konzentration beträchtlich und steigert insbesondere die Fähigkeit, am Horizont auftauchende Objekte wahrzunehmen, was von eminenter Bedeutung ist, um Zusammenstöße zu vermeiden.

Macht Kaffee süchtig?

Nachdem ich all diese positiven Eigenschaften von Koffein hervorgehoben habe, denen nur wenige relativ harmlose Nebenwirkungen gegenüberstehen, erhebt sich die Frage, ob es auf lange Sicht und bei hoher Dosierung nicht doch auch ernste gesundheitliche Probleme verursachen kann. Wie verhält es sich beispielsweise mit dem Krebsrisiko? Um es einzuschätzen, führten die Schweden, die zu den eifrigsten Kaffeetrinkern der Welt gehören, eine groß angelegte epidemiologische Studie durch. Sie erfasste 59 000 Frauen im Alter zwischen 40 und 76 Jahren. Die Auswertung der Daten ergab jedoch keinerlei Zusammenhang zwischen Kaffeekonsum und der Häufigkeit von Brustkrebs. Desgleichen fand sich auch keine Verbindung mit Pankreas-, Darm- oder Eierstockkrebs.

Was negative Langzeiteffekte betrifft, so steht Kaffee im Verdacht, den Cholesterinspiegel zu erhöhen. Koffein spielt dabei allerdings keine Rolle. Die Anreicherung von Fett im Blut rührt möglicherweise von den Lipiden im Kaffee her. Ihr Gehalt ist besonders hoch, wenn das Pulver mit dem Wasser zusammen aufgekocht wird.

Als Droge muss sich Kaffee natürlich auch die Frage gefallen lassen, ob er vielleicht süchtig macht. In hohen Dosen konsumiert, kann er tatsächlich eine Art von Abhängigkeit erzeugen, aber sie unterscheidet sich von derjenigen, die durch Tabak- und Alkoholmissbrauch oder durch den Konsum von Rauschgiften wie Kokain, Cannabis oder Heroin entsteht. Ein positives neuronales Verstärkersystem in Form einer Belohnungsspirale, wie es bei harten Drogen auftritt, spielt beim Koffein keine Rolle.

Das Lustgefühl, das eine Person beim Drogenkonsum empfindet, hat viele Ursachen. Psychologische Faktoren spielen dabei ebenso eine Rolle wie physiologische und kognitive Prozesse sowie der Geschmackssinn. Abhängigkeit verlangt regelmäßigen und meist auch steigenden Drogenkonsum.

Am charakteristischen Suchtverhalten, zu dem Entzugserscheinungen, zwanghafte Drogenbeschaffung und Selbstverabreichung gehören, ist ein wohldefiniertes Ensemble von Neuronen beteiligt, das fünf Gehirnbereiche umfasst: das Ventrikeldach, die Substantia nigra, das Corpus striatum, den Cortex und den Nucleus accumbens. Die Verschaltung dieser Zentren stellt eine permanente Verknüpfung zwischen dem Lustgewinn und der bewussten Handlung her, die ihn herbeiführt – zum Beispiel das Anzünden einer Zigarette.

Koffein dagegen aktiviert Neuronen aus einer anderen Hirnregion, nämlich dem Nucleus caudatus (Schweifkern). Diese Region gehört nicht zu dem gerade erwähnten stark verknüpften Neuronensystem. Zwar kann sie Dopamin freisetzen, was Lustgewinn bedeutet, und dieses positive Gefühl zum Cortex weiterleiten. Die Verknüpfungen sind jedoch nicht so stark, dass die angenehme Empfindung als unverzichtbar erlebt wird. Falls es eine Abhängigkeit gibt, ist sie also in keiner Weise mit der durch harte Drogen, Tabak oder Alkohol vergleichbar.

Entsprechend sind auch die Entzugserscheinungen bei einem plötzlichen Abbruch des Koffeinkonsums in der Regel recht milde. Manchmal treten Kopfschmerzen auf, die umso stärker sind, je mehr Kaffee die betreffende Person regelmäßig getrunken hat. Doch halten sie nicht lange an: Sie beginnen etwa 12 bis 24 Stunden nach der letzten Tasse Kaffee, erreichen nach 48 Stunden ihren Höhepunkt und verschwinden spätestens nach einer Woche wieder. Diese Entzugserscheinung erklärt wohl die Kopfschmerzen mancher Menschen am Wochenende. Unter der Woche trinken sie am Arbeitsplatz gewohnheitsmäßig größere Mengen Kaffee, der die Blutgefäße im Gehirn verengt. Am Wochenende geht der Konsum plötzlich zurück. Folglich dehnen sich die Gefäße aus und erzeugen durch den entstehenden Druck im Schädel Kopfschmerzen.

Vorbeugung gegen Schüttellähmung

Exzessiver Koffeinkonsum kann auf Dauer allerdings zu Koffeinismus führen, einem Syndrom, das durch Zittern, Angstzustände, Reizbarkeit, Nervosität und Schlafstörungen charakterisiert ist. In manchen Fällen treten auch Herzklopfen, eine Beschleunigung von Puls und Atemfrequenz sowie Magersucht auf. Frauen sind für solche Störungen anfälliger als Männer – vielleicht weil Koffein in ihrem Blut, wie erwähnt, weniger schnell abgebaut wird.

Andererseits scheint regelmäßiger Kaffeegenuss aber einen gewissen Schutz gegen die Parkinsonsche Krankheit zu verleihen. Bei dieser degenerativen Erkrankung, die meist im Alter auftritt, führt das Absterben von Nervenzellen im Gehirn, die den Botenstoff Dopamin produzieren, zu Störungen von Motorik und Aufmerksamkeit. In einer Studie, an der 8000 Personen über dreißig Jahre hinweg teilnahmen, zeigte sich, dass das Parkinsonsyndrom bei Personen, die Kaffee trinken, seltener auftritt. Außerdem verläuft die Krankheit bei hohem Kaffeekonsum weniger schwer. Das ist insofern einleuchtend, als Koffein die Freisetzung von Dopamin bewirkt, an dem es bei der Parkinsonkrankheit mangelt. Auch die übliche Behandlung besteht ja in der Gabe von L-Dopa, das sich im Gehirn in Dopamin umwandelt.

Koffein hat also durchaus pharmakologische Wirkungen. Zugleich wird es von Milliarden von Menschen in der Welt täglich konsumiert. Ist es also ein Medikament oder ein Genussmittel? Wenn Koffein in Form von Gelatinekapseln als Medikament bezeichnet würde, wäre es rezeptpflichtig. Würde es hingegen frei verkauft, könnten viele Menschen von diesem Wachmacher-Molekül profitieren, sofern sie keinen Missbrauch damit treiben. Die Situation ist paradox: Üblicherweise rät man vom Gebrauch von Psychostimulanzien ab; aber Koffein, in Form von Kaffee oder Erfrischungsgetränken, ist de facto das am meisten konsumierte Psychostimulanz der Welt.


Literaturhinweise


Décalage horaire, mélatonine et caféine à liberation prolongée. Von M. Beaumont et al. in: Médicine et armées, Bd. 30, S. 135 (2002).

Slow-Release Caffeine: a New Response to the Effects of a Limited Sleep Deprivation. Von D. Lagarde et al. in: Sleep, Bd. 23, S. 5 (2000).

The Effects of 600 mg of Slow Release Caffeine on Mood and Alertness. Von B. Sicard in: Avia-tion Space and Environmental Medicine, Bd. 67, S. 859 (1996).

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2003, Seite 64
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH