Кофе. Механизмы некоторых полезных и вредных воздействий компонентов кофе на организм

Какие основные компоненты есть в кофе?
Какова суточная норма кофе?
Как компоненты кофе действуют на организм и здоровье?
Кофе вреден или полезен?

Любите ли вы кофе? ☕

В 2021 году общий объем производства кофе в мире составил около 173 млн 60-килограммовых мешков. Это число представляет собой кульминацию усилий стран-производителей кофе по всему миру, каждая из которых привносит свои уникальные вкусы и сорта на мировой рынок кофе.

В десятку стран с самым высоким уровнем производства кофе входят Бразилия, Вьетнам, Колумбия, Индонезия, Эфиопия, Гондурас, Перу, Индия, Уганда и Гватемала.

Лидер по производству кофейного зерна - Бразилия - производит около 3 млн тонн в год.

Рис. 1, Карта производства кофе. Чем темнее цвет тем больше производство. Источник изображения - [1].

Кофе - это напиток, который готовят из обжаренных семян кустарника рода Coffea. Кофейные зерна находятся в ягодах, которые после созревания обрабатываются и высушиваются. Два основных вида - Coffea Arabica (кофе Арабика) и Coffea canephora (кофе Робуста).

Кофе из зерен Робусты, по сравнению с Арабикой содержит больше кофеина, кислот и он более горький и крепкий. Арабика богата липидами и содержит больше сахаров, которые делают вкус интенсивным и формирует разнообразный вкусовой профиль кофе.

Рис. 3. Кофейные ягоды. Целые и в разрезе.

Вещества, содержащиеся в кофе

Рис. 4. Основные вещества, содержащиеся в кофе.

Кофе представляет собой сложную смесь соединений. Конкретный состав зависит от сорта кофе, его обжарки и обработки.

Самым известным и широко изученным компонентом является, конечно, кофеин.

Рис. 5. Строение молекулы кофеина и формула.

Когда сырые зелёные зёрна кофе обжариваются при высоких температурах происходит реакция между аминокислотами белков и сахарами. Процесс известен как реакция Майяра (на канале есть небольшая статья о данной реакции). В результате образуется большое количество веществ, влияющих на вкус кофе.

Кофе содержит множество хлорогеновых кислот. Так называются сложные эфиры кофейной кислоты с одним из стереоизомеров хинной кислоты.

Рис. 6. Структурная формула основной хлорогеновой кислоты - 5-кофеоилхиновой кислоты.

Основной хлорогеновой кислотой в кофе является 5-кофеоилхиновая кислота, хотя другие кофеоилхиновые, ферулоилхиновые и ди-кофеоилхиновые кислоты присутствуют в значительных количествах.

Также в кофе присутствуют кафестол и кахвеол, ниацин и предшественник витамина B3 - тригонеллин.

Рис. 7. Структурные формулы основных веществ, содержащихся в кофе.

Кафестол и кахвеол, содержащиеся в кофейном масле, демонстрировали антиоксидантную активность в экспериментах на мышах, которая заключалась в запуске регуляции ключевых антиоксидантных ферментов. С другой стороны, эти два дитерпена являются основными соединениями, повышающими уровень холестерина. Они частично задерживаются бумажными фильтрами, но сохраняются при непосредственном приготовлении кофе из молотых зерен. Кроме того, кофе богат витамином В3, магнием и калием.

Кофеин в других растениях и напитках

Кофеин содержится более чем в шестидесяти растениях, кроме кофейного куста. Это является удивительным числом. Была даже выдвинута гипотеза, что изначально кофеин был второстепенным веществом, не являющимся необходимым для растения, но чрезвычайно вредным для некоторых насекомых и других травоядных животных. Благодаря кофеину растение может защитить себя и получить больше шансов на выживание.

Рис. 8. Продукты содержащие кофеин.

Также кофеин содержится в чае, какао-напитках, коле, шоколаде и других продуктах. Согласно источнику, в 30 мл чашке эспрессо будет содержаться около 40 мг кофеина. В 240 мл чашке кофе, приготовленном с помощью дрип-пакета, будет от 65 до 120 мг кофеина (чаще 85 мг). В Кока-коле объёмом 0.5 л будет от 42 до 75 мг кофеина. Обычно на этикетках колы написано, что содержание кофеина не превышает 150 мг/л. В какао-напитке содержится около 7.5 мг кофеина на 300 мл. В энергетиках содержание кофеина наибольшее среди данных примеров: от 100 до 320 мг кофеина на баночку объёмом 0.5 л.

Суточная норма кофеина

Для взрослых, количество кофеина, при котором имеется мало доказательств риска для здоровья и некоторые доказательства пользы, чаще всего считают содержащее 300 – 400 мг в день. Можно рассчитать, используя данные выше норму потребления кофеин-содержащих продуктов в день.
Источник информации - [2].

Метаболизм кофеина в организме человека

Молекула кофеина гидрофобна, что позволяет ей проходить через все биологические мембраны, а пиковая концентрация в плазме крови достигается через 15 - 20 минут после перорального приема. Кофеин метаболизируется в печени под действием ферментной системы цитохрома Р450, в частности фермента CYP1A2, в три первичных метаболита: параксантин (84 %), теобромин (12 %) и теофиллин (4 %).

Рис. 9. Метаболизм кофеина

У здоровых взрослых людей время полувыведения кофеина составляет примерно 3 - 4 ч. У младенцев и детей младшего возраста этот период дольше, чем у взрослых.

Механизм действия молекулы кофеина

Основной способ действия кофеина в обычных дозах - это антагонизм аденозиновых рецепторов. Это означает, что кофеин, связываясь с данными рецепторами, блокирует их и не даёт связываться естественному агонисту - аденозину.

Аденозиновые рецепторы задействованы в ряде биологических функций, как физиологических, так и патологических. К ним относятся сердечный ритм и кровообращение, липолиз, почечный кровоток, иммунная функция, регуляция сна и ангиогенез, а также воспалительные заболевания, ишемия-реперфузия и нейродегенеративные расстройства

Молекула кофеина структурно сходна с аденозином и способна мощно блокировать эффекты аденозина уже при низкой концентрации, достигаемой после одной чашки кофе.

Влияние кофе на сердечно-сосудистую систему

Впервые связь между потреблением кофе и риском развития ишемической болезни сердца была изучена в 1960-х годах, учитывая, что в западных странах распространенность потребления кофе и уровень сердечно-сосудистых заболеваний был высоким.

С 2000 года связь между потреблением кофе и такими заболеваниями как инсульт, сердечная недостаточность и общей смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний, стала изучаться чаще и была обобщена в мета-анализах. При этом существуют значительные разногласия относительно связи между потреблением кофе и риском заболеваний сердца.

Фармакологические исследования подтверждают, что активация аденозиновых рецепторов оказывает ряд эффектов в сердечно-сосудистой системе, включая снижение частоты сердечных сокращений и сократимости предсердий. Блокада этих рецепторов кофеином может способствовать защитному эффекту кофе при болезнях сердца.

В экспериментах с использованием нефильтрованного и бумажно-фильтрованного кофе, а также кофе с кофеином и без кофеина показано, что и другие компоненты кофе воздействуют на сердце. Хлорогеновые кислоты являются отличными антиоксидантами. Хлорогеновые кислоты и их метаболиты ослабляют окислительный стресс (возникновение активных форм кислорода = АФК), что приводит к снижению артериального давления.

На данный момент можно говорить о том, что имеющиеся исследования, хотя и ограниченно, но позволяют утверждать, что нет клинических оснований связывать умеренное потребление кофе с повышением риска сердечно-сосудистых заболеваний.

Кофе и диабет 2-го типа

Систематический обзор и мета-анализ, основанные на данных 1 109 272 участников исследования и 45 335 случаев диабета 2-го типа, продемонстрировали достоверную обратную зависимость между потреблением кофе и риском развития диабета. Употребление 6 чашек кофе в день ассоциировалось с 33 % снижением риска развития диабета 2 типа как для мужчин так и для женщин.

Интересно, что употребление кофе без кофеина ассоциировалось с тем же уровнем защиты от диабета, что и кофе с кофеином.

Как было показано на мышах, хлорогеновая кислота подавляет глюконеогенез, влияя на экспрессию и активность фермента глюкозо-6-фосфатазы - фермента пути глюконеогенеза. Более того, она улучшает поглощение глюкозы скелетными мышцами а также повышает чувствительность к инсулину. Полифенолы в кофе стимулируют фермент (GLP1), который является основным кишечным гормоном, активирующим индуцированную глюкозой секрецию инсулина.

Таким образом, кофе является полезным при диабете 2-го типа и для его профилактики. Однако механизм полезного действия на данный момент полностью не раскрыт.

Кофе и избыточный вес

Предполагается, что кофеин (а также катехины, содержащиеся в зеленом чае) способны вызывать усиление окисления жиров и вызывают чувство сытости.

Исследование Гаврили с соавт. (2013) на 33 взрослых людях (16 с нормальным весом и 17 с ожирением), которые съедали стандартный завтрак, запивая его 200 мл кофе (с 3 или 6 мг кофеина на кг массы тела), показало уменьшение объёма питания после употребления высокой дозы кофеина только у людей с избыточным весом. То есть, люди с лишним весом могут контролировать своё потребление пищи через регуляцию чувства голода с помощью кофе.

В исследовании Моран-Лев (2023) показано, что употребление кофе (а также зелёного чая) как часть диеты для снижения веса может оказать небольшое, но благотворное влияние на снижение массы тела у подростков с ожирением. Они выделяли 3 группы: группа, употреблявшая кофе (2 чашки в день, общее количество кофеина = 160 мг), зеленого чая (3 чашки в день, общее количество катехина = 252 мг и 96 мг кофеина) или травяного чая (как плацебо, 3 чашки в день). Через 3 и 6 месяцев между группами сравнивали потребление пищи, индекс массы тела и процентное содержание жира.

В окончательный анализ были включены 48 детей: 18 в группе с кофе, 17 в группе с зеленым чаем и 13 в группе с плацебо. Сравнение трех групп подростков по общему изменению индекса массы тела выявило значительное преимущество потребления кофе по сравнению с зеленым чаем и плацебо (-9,2% изменения индекса массы тела в группе кофе по сравнению с -2,3% и -0,76% в группе зеленого чая и плацебо).

Кофе и рак

Воздействие кофе на различные антиоксидантные системы клетки имеет противоречивый характер.

Предполагается, что соединения, снижающие развитие окислительного стресса, уменьшающие образование радикалов и снимающие воспаление, играют определенную роль в профилактике раковых заболеваний.

Какую же роль вещества, содержащиеся в кофе, играют в данном процессе?

Предполагается, что активация ядерного фактора эритроидного происхождения 2 (Nrf2) и его защитных путей играет важную роль в обеспечении благоприятного воздействия кофе на здоровье. Nrf2 — редокс-чувствительный транскрипционный фактор, защищающий клетки и ткани от токсинов, окислительного стресса и канцерогенов. Фитохимические вещества кофе активируют Nrf2 в клетках, подвергающихся определенному окислительному стрессу.

Рис. 10. Схема работы фактора Nrf2. АФК - активные формы кислорода. Стрелочкой с острым концом показа активация того или иного элемента, а с тупым концом - торможение, репрессия. Изображение взято из [4].

Вещества из кофе способствуют попаданию фактора Nrf2 в ядро, где он соединяется с белком sMAF, необходимым ему для выполнения функции регулятора работы генов. В комплексе с sMAF он взаимодействует с элементом антиоксидантного ответа (ARE).

Nrf2, как транскрипционный фактор, регулирует активность следующих важных генов, связанных с антиоксидантным действием: это глутатионпероксидаза, гем-оксигеназа-1, глутатионредуктаза, супероксиддисмутаза, хинон-оксидоредуктаза и несколько тиоредуктаз.

Также Nrf2 активирует некоторые противовоспалительные гены (например, интерлейкины, интерфероны, фактор некроза опухоли).

Все указанные белки выполняют ту или иную защитную роль в нормальной нераковой клетке.

Рис. 11. Схема развития окислительного стресса, вызванного веществами кофе. МПМ - мембранный потенциал митохондрий; АФК - активные формы кислорода. Стрелочкой с острым концом показа активация того или иного элемента, а с тупым концом - торможение, репрессия. Изображение взято из [4].

Есть доказательства того, что многие составляющие кофе, включая хлорогеновые кислоты, кофеин, кафестрол и кахвеол, являются активаторами Nrf2. Однако существуют также доказательства того, что компоненты кофе могут активировать и несколько путей нарушающих работу клетки, включая нарушение митохондриальной мембраны, что приводит к потере мембранного потенциала митохондрий и АФК-опосредованной цитотоксичности.
(АФК - активные формы кислорода).

Среди таких процессов инактивация фактора cMyc; снижение экспресси микроРНК, являющихся подконтрольными cMyc; активация генов ZBTB, которые в свою очередь репрессируют Sp пути. Последние являются онкогенными путями. То есть способствующими росту опухолей.

Другими словами вещества из кофе вызывают нарушения в росте и выживаемости клеток. Так, например, в обработанных хлорогеновыми кислотами раковых клетках повышается уровень АФК и из-за этого тормозятся те пути, которые способствуют неограниченному росту и делению клеток.

Важно отметить, что, хотя активация Nrf2 играет важную роль в ослаблении окислительного стресса, повышение уровня Nrf2 в раковых клетках приводит к прогрессии опухоли и развитии лекарственной устойчивостьи опухоли. То есть, Nrf2, индуцированный экстрактом кофе, может быть полезен для нормальных клеток, которым необходим низкий уровень АФК; однако в раковых клетках это может привести, наоборот, к усилению канцерогенеза.

Как уже упоминалось, экстракты кофе содержат тригонеллин. Интересно, что он ингибирует активность Nrf2 и тем самым регулирует полезные и вредные эффекты NRF2. Также экспериментально показано, что тригонеллин, может препятствовать Nrf2-опосредованной антиоксидантной активности и тем самым отменять некоторые из защитных эффектов Nrf2.

Таким образом, действие компонентов кофе имеет противоречивый характер. Одновременно могут запускаться процессы, которые и полезны и вредны для клетки. Каким же будет итоговый эффект и какой из процессов перевесит? Это на данный момент дискуссионная проблема. Поэтому вопрос о кофе и других фитохимических веществах и их полезных эффектах требует дальнейшей оценки в отношении рака.

Эпигенетическое воздействие компонентов кофе

В последнее десятилетие были обнаружены механизмы, согласно которым кофе способен влиять на эпигеном.

Эпигенетическое воздействие - это воздействие на работу генов (активация или репрессия), которое не затрагивает нуклеотидную последовательность.

Существует три основных эпигенетических регулятора, которые хорошо изучены: метилирование ДНК, модификации гистонов и некодирующие РНК (нкРНК), такие как, микроРНК.

Эпигеном - это совокупность молекулярных факторов влияющих на работу генов, но не затрагивающих последовательность генов.

Метилирование ДНК

Исследования метилирования генома человека показали, что употребление кофе может быть полезным при ряде заболеваний, включая нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера, а также болезни печени.

В 2017 году было проведено исследование, показавшее, что регулярное употребление кофе может внести изменения в статус метилирования CpG-сайтов, расположенных рядом с 11 генами. Среди них были гены GPR132, BSCL2, MALRD1, GRK5, PSMD8, FSTL5 и PTHLH.

Эти гены задействованы в регуляции липидного обмена и иммунного ответа. Кроме того, многие из них были связаны с хроническими заболеваниями, или с распространенными нейродегенеративными заболеваниями, в отношении которых высказывалось предположение, что потребление кофе защищает от них.

Другие исследования метелирования ДНК, на этот раз в периферийной крови, показали изменения в метильном статусе генов AHRR, F2RL3, FLJ43663, HDAC4, GFI1 и PHGDH.

Эти гены являются ответственными за биосинтез серина, послании сигнала для метаболизма ксенобиотиков и запуска воспалительного ответа. Результаты данных исследований, в отличие от предыдущего примера, говорят о том, что изменения метильного статуса этих генов, наоборот, может вызывать повышение риска некоторых заболеваний, включая обмен липидов и жировую болезнь печени.

Таким образом, снова, влияние кофе неоднозначно. Описанные противоречивые результаты, говорят о том, что различные компоненты кофе по разному действуют на организм. Одни из них вызывают благоприятные реакции, а другие - пагубные. В связи с этим достаточно сложно дать однозначную характеристику кофе для всех людей и для всех возможных состояний здоровья.

Краткие примеры других эпигенетических воздействий

Как было сказано чуть выше, кофе улучшает поглощение глюкозы клетками. Делает оно это путём увеличения экспрессии гена транспортера глюкозы GLUT4. В 2008 году Муквевхо и др. нашли механизм, с помощью которого это происходит.

Это исследование показало, что кофеин может увеличить ацетилирование гистона H3 на гене GLUT4, способствуя увеличению его экспрессии.

В 2021 году исследовалось воздействие на мышей канцерогенным веществом ДМБА (диметилбензантрацен), которое входит в состав выхлопных газов, смога и сигаретного дыма. Было обнаружено, что канцероген ДМБА вызывает значительное снижение метилирование ДНК повторяющихся длинных пересекающихся элементов-1 (LINE-1) в печени, селезенке и почках, а кофе значительно предотвращает этот эффект, обратно повышая степень метилирования. Статус метилирования LINE-1 играет ключевую роль как в канцерогенезе, так и в химиопрофилактике. Таким образом кофе продемонстрировал химиопрофилактический эффект.

Еще одно интересное исследование было проведено на линии мышей, употреблявших этанол. Было обнаружено, что у мышей под действием этанола увеличиваются уровни сывороточных микроРНК, miR-9-3p, -15b-5p, -16-5p и -222-3p. При этом, кофеин способен снижать их. Экспрессия этих микроРНК связана со многими заболеваниями и играет жизненно важную роль во многих системах, особенно в центральной нервной системе, подчеркивая, что кофеин оказывает защитное действие на нервную систему в присутствии этанола.

Итог

Важность кофе для здоровья человека как популярного напитка и сложной смеси, содержащей множество биологически активных ингредиентов, широко известна уже многие годы.

Однако нельзя сказать, что кофе полезен абсолютно всегда и для всех. Основным выводом данной статьи хочется отметить важность именно мировоззренческую. То как мы формируем наше отношение к тем или иным продуктам и к информации вообще. Происходящие в человеческом организме процессы очень важно понимать в движении, понимать их противоречивый и противонаправленный характер. Влияние тех или иных факторов, в данном случае компонентов кофе, на организм являют собой яркий пример существования борьбы противоположностей в живой системе. И именно понимание человека как движущейся, живой системы позволит получить наибольшую пользу для людей в целом.

Список источников

1. Coffee Production by Country // Country Cassette URL: https://countrycassette.com/coffee-production-by-country (дата обращения: 19.08.2024).
2. Nieber K. The impact of coffee on health / Nieber K. // Planta medica. – 2017. – V. 83. – №. 16. – P. 1256-1263.
3. Hadar Moran-Lev, Shlomi Cohen, Shira Zelber-Sagi. Effect of coffee and tea consumption on adolescent weight control: an interventional pilot study / Moran-Lev H. [et al.] // Childhood Obesity. – 2023. – V. 19. – №. 2. – P. 121-129.
4. Stephen Safe, Jainish Kothari, Amanuel Hailemariam. Health benefits of coffee consumption for cancer and other diseases and mechanisms of action / Safe S. [et al.] // International journal of molecular sciences. – 2023. – V. 24. – №. 3. – P. 2706.
5. Ding Q. The epigenetic effects of coffee / Ding Q., Xu Y. M., Lau A. T. Y. // Molecules. – 2023. – V. 28. – №. 4. – P. 1770.