Воздействие кофеина на организм

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Каждый из нас не один раз сталкивался с желанием перебороть утреннюю сонливость или вечернюю дремоту. Для того, чтобы взбодриться мы уже по привычке тянемся к стакану крепкого чая или чашечке кофе. Эффект достигается благодаря содержащемуся в этих напитках веществу — кофеину. Так что же это за вещество и как оно в действительности воздействует на наш организм?

Кофеин — это алкалоид, который содержится в листьях чая (до 4%), семенах кофе (до 2%), орехах кола (до 6%), бобах какао (до 4%). Как видим, это вещество в природе распространено достаточно широко. Для медицинских целей, однако, кофеин получают синтетическим путем. С медицинской точки зрения кофеин — это классический психомоторный стимулятор. Он обладает свойством возбуждать нервную систему, уменьшать чувство утомления, увеличивать психическую активность, прогонять сон. Однако следует иметь в виду, особенно спортсменам, что физическую активность кофеин не повышает, а, наоборот, снижает.

Возбуждающее действие кофеина связано с его способностью блокировать рецепторы адреналина-тормозного медиатора центральной нервной системы. Кофеин снижает чувствительность нервных клеток к адреналину и таким образом, опосредованно, оказывает возбуждающее действие. Кофеин, однако, способен оказывать и прямое возбуждающее действие. Как и другие метилксантины, он блокирует фермент (фосфодиэстеразу), который ограничивает проведение (передачу) нервных импульсов к клетке. В результате, любой возбуждающий сигнал начинает действовать на нервные клетки сильнее. Если с кофеином переборщить, то может развиться выраженное психомоторное возбуждение (возбуждение психической и деятельной сферы).

1. Химическое строение и классификация кофеина

Систематическое наименование

1,3,7-триметил-1H-пурин-2,6(3H, 7H)-дион

Традиционные названия

1,3,7-триметилксантин, кофеин, теин

Эмпирическая формула

C8H10N4O2

Рег. номер CAS

58−08−2

SMILES

C[n]1cnc2N (C)C (=O)N (C)C (=O)c12

Кофеимн, C8H10N4O2 (также называемый теин, матеин, гуаранин)-- алкалоид пуринового ряда. Белые шелковистые игольчатые кристаллы или белый кристаллический порошок горьковатого вкуса, без запаха. Кристаллическая структура: гексагональная призма. Химическое название кофеина -- 1,3,7-триметилксантин. По строению и фармакологическим свойствам кофеин близок к теобромину и теофиллину; все три алкалоида относятся к группе метилксантинов.

Характерной особенностью пуриновых алкалоидов является их нестойкость при нагревании в щелочной среде (при рН> 9). В этом случае кофеин разлагается до кофеидин-карбоновой кислоты и далее до кофеидина C7H12N4O (физиологически неактивное вещество).

Кофеин представляет собой очень слабое основание. Основные его свойства обусловлены азотом в положении 9 имидазолового цикла. Соли его с минеральными кислотами практически не существуют, так как легко гидролизуются. Водные растворы солей кофеина быстро диссоциируют. Качественной реакцией на кофеин служит образование соединений темно-коричневой окраски под действием концентрированной соляной кислоты на аммиачный раствор.

У кофеина водороды имидных групп замещены на метильные радикалы, поэтому у него отсутствуют кислые свойства, а основные настолько слабы, что его можно считать практически нейтральным веществом.

Все алкалоиды пуринового ряда плохо растворимы в воде. Кофеин и теофиллин легко растворяются лишь в горячей воде.

Растворимость кофеина значительно увеличивается в присутствии органических кислот (бензойной, салициловой) и их солей, при этом установлено, что состав образующихся комплексов 1:1. Примером такого комплекса является кофеин-бензоат натрия, являющийся фармакопейным препаратом. Медленно растворим в воде (1: 60), легко — в горячей (1: 2), трудно растворим в спирте (1: 50). Один грамм растворяется в 46ml воды, 5. 5ml воды при 80C, 1. 5ml кипящей воды; 66ml спирта, 22ml спирта при 60C; 50ml ацетона; 5. 5ml хлороформа; 530ml диэтилового эфира; 100ml бензола, 22ml кипящего бензола. Свободно растворяется в пирроле; в тетрагидрофуране, содержащем около 4% воды; растворяется в этилацетате; медленно растворяется в петролейном эфире. Растворимость в воде увеличивается при добавлении бензоатов, циннаматов, цитратов или салицилатов щелочных металлов.

Общей реакцией на алкалоиды пуринового ряда является реакция образования мурексида -- мурексидная проба. Сущность этой реакции заключается в том, что вещество, содержащее пуриновый цикл, нагревают с окислителем (бромной водой, пергидролем, азотной кислотой и т. д.) и затем обрабатывают раствором аммиака; появляется малиновое окрашивание, обусловленное образованием аммониевой соли пурпуровой кислоты.

Если вместо аммиака применить гидроксид калия, то калиевая соль пурпуровой кислоты будет окрашена в сине-фиолетовый цвет. Мурексидная проба долгое время считалась реакцией, специфичной для пуриновых производных, но затем стало известно, что мурексидную пробу дают и некоторые другие соединения, не имеющие в молекуле пуринового цикла, например аллоксан, диалуровая, барбитуровая, виолуровая кислоты, т. е. соединения, имеющие в молекуле пиримидиновый цикл. Однако до сих пор мурексидная проба остается общей, групповой реакцией для открытия пуриновых алкалоидов и является фармакопейной.

Методы количественного определения пуриновых алкалоидов могут быть разнообразны и определяются их химическими свойствами. Поскольку все эти алкалоиды являются слабыми органическими основаниями (константы диссоциации их лежат в пределах 7−9--10−14), определение их методом нейтрализации в водной среде затруднено. Поэтому, например, для кофеина рекомендует метод неводного титрования в среде протогенных (кислых) растворителей, каким является безводная уксусная кислота.

Для количественного определения пуриновых алкалоидов можно использовать спектрофотометрию в УФ-области. Наличие двойных связей в молекулах пуриновых алкалоидов создает значительную возможность резонанса, в связи с чем эти вещества поглощают УФ-излучение. Пурины дают одну интенсивную полосу ниже 220 нм и другую при 272 нм, но все они имеют одинаковые максимум и интенсивность поглощения, поэтому метод спектрофотометрии в УФ-области является общим, т. е. групповым методом.

Кофеин чаще всего получают в технике из чайных отбросов (чайной пыли), для чего водный отвар их осаждают уксуснокислым свинцом, фильтруют, удаляют из фильтрата свинец сернистым водородом и, отфильтровав вновь от сернистого свинца, выпаривают раствор до кристаллизации, а затем выделившийся кофеин очищают перекристаллизацией из воды или спирта. Также обрабатывают водный отвар чая окисью свинца, прибавляют поташа к слитому и выпаренному до густоты сиропа раствору и извлекают 90% спиртом. Отогнав спирт, перекристаллизовывают остаток из воды или бензола. Кофеин кристаллизуется из воды в длинных, гибких, шелковистых, горьковатых на вкус иглах с 1 паем кристаллизационной воды, которую в сухом воздухе теряет отчасти при обычной температуре и вполне при 100°, плавится при 234−235° и, улетучиваясь, значительно ниже этой температуры, легко и без разложения сублимируется. Кофеин растворяется в воде, спирте, хлороформе и бензоле, весьма трудно растворим на холоде в абсолютном эфире, серистом углероде и петролейном эфире. При нагревании растворимость во всех названных растворителях значительно возрастает. Реагирует кофеин нейтрально, но с кислотами соединяется, образуя соли, которые, впрочем, избытком воды или спирта разлагаются; хлористоводородная соль образует хлороплатинат и хлораурат. Щелочи и баритовая вода при нагревании превращают кофеин в кофеидин (маслообразное основание) с отщеплением 1 частицы углекислоты:

C8H10N4O2+H2O=C7H12N4 O+СО 2.

Дальнейшее действие щелочей, а также крепкой соляной кислоты при 240° - 250° производит полное распадение кофеина, совершенно аналогичное распадению ксантина и теобромина, на углекислоту, аммиак, метиламин, муравьиную кислоту и метилгликоколь:

C8H10N4O2+6H2 O=СО 2+NH3+2NH2 (CH3) +CH2O2+CH2 (NHCH3) COHO.

При осторожном окислении смесью соляной кислоты и бертолетовой соли кофеин расщепляется на диметилаллоксан CO (NCH 3)2(CO)3 и метилмочевину CO (NH 2)(NHCH3), а при других условиях окисления на холестрофан (диметилпарабановую кислоту) или амалиновую кислоту (тетраметилаллоксантин) и метилмочевину, что совершенно подобно распадениям мочевой кислоты на мочевину с одной стороны и аллоксан, парабановую кислоту и аллоксантин — с другой. Эти реакции указывают на аналогию строения кофеина со строением мочевой кислоты и, вместе с синтезом его из ксантина, переходя через теобромин (диметилксантин), определяют присутствие в его частице трех метильных групп и одного атома водорода, занимающего особое положение, как видно из формул C5H (CH3)3N4O2. Действительно, 1 атом водорода в кофеине может быть замещен хлором, бромом, водным остатком, причем получаются хлор-, бром- и гидроксикофеин, например, C5Br (CH3)3N4O2 и C5(OH)(CH3)3N4O2. Последний способен присоединять 2 атома брома и обменивать затем их при действии спирта на 2 этоксильные группы, что показывает непредельность кофеина и присутствие в нем двойной углеродной связи. Образование из кофеина, при окислении и последующем распадении, переходя через каффуровую кислоту, мезокзалевой кислоты C3N4O6, и образование метилгидантоина при распадении гидрокаффуровой кислоты, получающейся восстановлением каффуровой, определяет нахождение в частице кофеина группировок.

Способов количественного определения кофеина, главным образом в чае, предложено несколько. Из них укажем на способ Пелиго, в главных чертах сходный с первым из описанных выше приемов получения кофеина. По способу Целлера, высушенный чай растворяют в крепкой серной кислоте, раствор разбавляют водой, насыщают окисью свинца и извлекают горячим 86% спиртом, из которого и выкристаллизовывают кофеин, а маточный спиртовой раствор выпаривают и остаток извлекают эфиром. Дворкович (1890) извлекает кофеин из чая кипящей водой, водную вытяжку промывает петролейным эфиром для удаления жирных и экстрактивных веществ, осаждает на холоде баритом, тотчас фильтрует и, прибавив к фильтрату раствор поваренной соли, окончательно экстрагирует кофеин взбалтыванием с хлороформом. Способы (напр. Мульдера), основанные на обработке веществ, содержащих К., кипячением с известью или магнезией, не дают удовлетворительных результатов вследствие происходящего при них отчасти разложения кофеина.

Идентификация. Групповая фармакопейная реакция — реакция на ксантины (мурексидная проба): лекарственное вещество в фарфоровой чашке обрабатывают раствором пероксида водорода концентрированным, разведенной НС1 и выпаривают на водяной бане до получения сухого желтовато-красного окрашивания. При смачивании остатка 1−2 каплями раствора аммиака появляется красно-фиолетовое окрашивание:

Кофеин: 1. Определяют Тпл. (234°-239°С), ИК-спектральные характеристики.

2. Реакция с ацетилацетоном и диметиламинобензальдегидом

Раствор субстанции в смеси ацетилацетона и раствора натрия гидроксида разведенного нагревают на водяной бане, охлаждают и прибавляют раствор диметиламинобензальдегида и еще раз нагревают. Охлаждают и прибавляют воду — появляется интенсивное синее окрашивание. 3. Реакция с раствором калия йодида йодированным в присутствии кислоты хлористоводородной разведенной — появляется коричневый осадок, который растворяется при добавлении раствора натрия гидроксида. 4. Потеря в массе при высушивании не должна превышать 0,5% - в отличие от кофеина моногидрата. 5. Реакция на ксантины (мурексидная проба). 6. С раствором танина образуется белый осадок, растворимый в избытке реактива.

Количественное определение. Ацидиметрия в неводной среде. Точку эквивалентности определяют потенциометрически:

Биологическое значение для организма

Физиологические особенности действия кофеина на ЦНС были изучены И. П. Павловым и его сотрудниками, показавшими, что кофеин усиливает и регулирует процессы возбуждения в коре головного мозга; в соответствующих дозах он усиливает положительные условные рефлексы и повышает двигательную активность. Стимулирующее действие приводит к повышению умственной и физической работоспособности, уменьшению усталости и сонливости. Большие дозы могут, однако, привести к истощению нервных клеток. Действие кофеина (как и других психостимулирующих средств) в значительной степени зависит от типа высшей нервной деятельности; дозирование кофеина должно поэтому производиться с учётом индивидуальных особенностей нервной деятельности. Кофеин ослабляет действие снотворных и наркотических средств, повышает рефлекторную возбудимость спинного мозга, возбуждает дыхательный и сосудодвигательный центры. Сердечная деятельность под влиянием кофеина усиливается, сокращения миокарда становятся более интенсивными и учащаются. При коллаптоидных и шоковых состояниях артериальное давление под влиянием кофеина повышается, при нормальном артериальном давлении существенных изменений не наблюдается, так как одновременно с возбуждением сосудодвигательного центра и сердца под влиянием кофеина расширяются кровеносные сосуды скелетных мышц и других областей тела (сосуды головного мозга, сердца, почек), однако сосуды органов брюшной полости (кроме почек) сужаются. Диурез под влиянием кофеина несколько усиливается, главным образом в связи с уменьшением реабсорбции электролитов в почечных канальцах.

Кофеин понижает агрегацию тромбоцитов.

Под влиянием кофеина происходит стимуляция секреторной деятельности желудка.

По современным данным, в механизме действия кофеина существенную роль играет его угнетающее влияние на фермент фосфодиэстеразу, что ведёт к внутриклеточному накоплению циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Циклический АМФ рассматривается как медиаторное вещество (вторичный медиатор), при помощи которого осуществляются физиологические эффекты различных биогенных лекарственных веществ. Под влиянием циклического АМФ усиливаются процессы гликогенолиза, стимулируются метаболические процессы в разных органах и тканях, в том числе в мышечной ткани и в ЦНС. Полагают, что стимуляция кофеином желудочной секреции тоже связана с увеличением содержания циклического АМФ в слизистой оболочке желудка (см. также Теофиллин, Циметидин).

В нейрохимическом механизме стимулирующего действия кофеина важную роль играет его способность связываться со специфическими «пуриновыми», или аденозиновыми рецепторами мозга, эндогенным лигандом для которых является пуриновый нуклеозид -- аденозин. Структурное сходство молекулы кофеина и аденозина способствует этому. Поскольку аденозин рассматривается как фактор, уменьшающий процессы возбуждения в мозге, замещение его кофеином приводит к стимулирующему эффекту. При длительном применении кофеина возможно образование в клетках мозга новых аденозиновых рецепторов, и действие кофеина постепенно уменьшается. Вместе с тем при внезапном прекращении введения кофеина, аденозин занимает все доступные рецепторы, что может привести к усилению торможения с явлениями утомления, сонливости, депрессии и др. На заре нашего века кофеин использовался в больших дозах для провокации симптомов заболевания у психических больных. Одновременно с центральной нервной системой кофеин возбуждает и вегетативную (иннервирующую внутренние органы). Возрастают частота и сила сердечных сокращений, повышается секреция желудочного сока, усиливается потоотделение, повышается температура тела и т. д. Артериальное давление не изменяется, т.к. кофеин хоть и стимулирует выброс сосудосуживающих факторов, одновременно стимулирует и выброс сосудорасширяющих. Кроме того, кофеин обладает мочегонным действием, что в свою очередь, не допускает подъема артериального давления. После приема кофеина (кофеиносодержащих напитков) улучшается самочувствие, появляется чувство бодрости, активизируются мышечные процессы и двигательная сфера. Комплексные исследования влияния кофеина на работоспособность показали, что после однократного его приема повышается концентрация внимания и мышечная сила, проявляемая одномоментно. Наряду с этим происходит снижение всех видов выносливости и увеличивается потребление кислорода, а это уже неблагоприятно сказывается на сердечной мышце. Сосуды сердца не всегда могут обеспечить адекватный кровоток и снабжение сердца кислородом. Ухудшается переносимость высоких температур, но улучшается переносимость холода. Это вызвано резким повышением интенсивности обмена веществ. Кофеин несколько снижает свертываемость крови, усиливает мочеотделение, активизирует процессы тканевого окисления. При этом усиливается распад гликогена. Его запасы в печени и в мышцах уменьшаются. Расширяются сосуды головного мозга, скелетных мышц, сердца, почек. Усиление распада гликогена приводит к повышению содержания в крови сахара. Кофеин так же обладает способностью разрушать подкожный нейтральный жир и увеличивать содержание в крови жирных кислот. Увеличение в крови сахара и жирных кислот — одна из причин появления ощущения бодрости и прилива энергии. Именно жирные кислоты, попав в кровь вызывают усиление теплоотдачи и повышение температуры тела.

Постоянный длительный прием кофеина, блокирующего тормозные аденозиновые рецепторы вызывают ответную реакцию организма — образование новых аденозиновых рецепторов и синтез большего, чем в норме количества аденозина. В результате такой приспособительной перестройки ЦНС возбуждающее действие кофеина снижается. Развивается привыкание, при котором требуются уже большие дозы кофеина для достижения того же стимулирующего эффекта. Внезапная отмена кофеина, принимавшегося длительное время, приводит к тому, что аденозин замещает все рецепторы. В ЦНС возникает сильное торможение. Появляются вялость, общая угнетенность, сонливость, нервная депрессия. Хронический прием кофеина истощает нервную систему. Развивается замедление мыслительных процессов, ослабление силы воли, появляется неуверенность в своих силах.

Употребление кофеина (кофеиносодержащих напитков) приводит к формированию физической и психической зависимости от этого вещества.

В силу всего вышеизложенного кофеин не может быть рекомендован для постоянного ежедневного применения в качестве средства, повышающего работоспособность и выносливость. С целью повышения интеллектуальной активности применять кофеин можно, но не чаще 1 раза в три дня и только в утренние часы. При таком способе приема полностью исключается возможность привыкания и истощения резервов нервной системы. Утренний прием кофеина позволяет избежать нарушения суточных биоритмов человеческого организма.

Кофеин помимо своей способности увеличивать выделение желудочного и кишечного соков резко усиливает перистальтику кишечника. Продвижение пищи по желудочно-кишечному тракту ускоряется. Пища не успевает полностью перевариться. Как результат развиваются гнилостные и бродильные процессы в кишечнике. Белковые компоненты пищи начинают гнить, а углеводные — бродить. По этой причине ни в коем случае нельзя запивать пищу чаем или кофе. Эти напитки следует пить отдельно, как минимум за час до основного приема пищи. Хотя даже в этом случае, продвижение пищи будет ускорено.

Постоянное употребление кофеиносодержащих напитков с целью стимуляции и повышения умственной работоспособности приводят к тем же побочным действиям, что и прием чистого кофеина. Постепенно развивается привыкание, которое требует приготовления все более и более крепких напитков. Прекращение употребления кофеиносодержащих напитков приводит к появлению вялости и сонливости, неспособности к продуктивному мышлению, что является следствием гиперактивности тормозных механизмов в ЦНС.

Истощение нервной системы при хроническом употреблении кофеиносодержащих напитков ускоряет развитие возрастных заболеваний. Ряд серьезно настроенных ученых считает употребление чая и кофе одной из основных причин ослабления здоровья населения на всем земном шаре. Таких побочных действий как привыкание и истощение нервной системы можно избежать лишь в том случае, если употреблять их не чаще 1 раза в три дня и только в утренние часы. Достаточный перерыв между приемами чая или кофе позволяет нервным клеткам не только восстановить свои ресурсы, но даже достичь некоторой суперкомпенсации. Утренний же прием позволяет возбуждающему действию напитка вписаться в естественный ритм активности организма.

Все кофеиносодержащие напитки выводят из организма витамин В1 (тиамин). Поэтому при их употреблении необходимо включать в пищевой рацион достаточное количество этого витамина. Лучше всего принимать витамин В1 в виде фосфотиамина, в котором к молекуле тиамина присоединен один фосфорный остаток.

Известен случай острого отравления кофеином аппаратчика фармацевтического завода, работавшего без респиратора в сушильном отделении, где хранилось около 500 кг бензонатриевой соли кофеина. Через 1--1,5 ч появились одышка, жар, общая слабость; через 2--3 ч -- сердцебиение, головокружение, тошнота, дрожь, затем усиление одышки, позднее судороги (в отличие от известных острых бытовых отравлений развитие симптомов интоксикации было замедлено). На ЭКГ признаки серьезных нарушений в сердечной мышце (Сайтанов и др.). У рабочих, занятых в производстве кофеина из мочевой кислоты, развивался рецидивирующий дерматит, иногда экзема. Считают, что поражения кожи вызваны продуктами осмоления 3-хлорметилкофеина при его нагревании (Бруевич, Штейнберг).

У многих работниц чаеразвесочного отделения изменения со стороны сердца и сосудов, желудочная и кишечная ахилия, учащение мочеиспускания. По расчету работницы за день вдыхали всего до 0,5 мг кофеина (Шустрое). Джангавадзе среди рабочих фабрик первичной переработки чайного листа отмечал высокую частоту диспептических нарушений, хронические гастриты, холециститы. При содержании в воздухе чайной пыли 0,3--8,1 мг/м3 у работающих развиваются дрожание век, языка, pук, нистагм, повышение сухожильных рефлексов, отсутствие глоточного рефлекса, а также расстройства чувствительности, психическая депрессия (Забугин). У 26,9--32% обследованных рабочих чайных фабрик находили хронические атрофические фарингиты и ринофарингиты (Джангавадзе). У рабочих чаеразвесочной фабрики выявлено ~ 29% случаев пневмокониозов (Шустров; Забугин; Мампория).

Хроническое отравление наиболее выражено у дегустаторов чая: возбуждение, бессонница, дрожание; похудание, потеря аппетита, гастриты, запоры.

Подводя итог выше сказанному, можно заключить, что употреблять кофеиносодержащие напитки можно, но только к месту и ко времени.

Вывод

кофеин алкалоид химический реакция

Общественное мнение и промышленность поставили потребление кофеина на поток и многие даже не догадываются о том, что он из себя представляет. А правда — она уже совсем рядом. Кофеин — это лёгкий наркотик, и он обладает основными свойствами наркотика.

В природе кофеин — это натуральный «алкалоид», который нужен некоторым растениям для защиты от вредителей. Человек — один из немногих видов, способных употреблять кофеин без серьёзного вреда для своего здоровья.

Кофеин без сомнения можно использовать с пользой: он влияет на ЦНС и помогает взбодриться, способствует выработке серотонина и активизирует деятельность мозга, снижает боли и улучшает настроение. Но в то же время постоянное употребление кофеина держит организм в состоянии стресса, что влияет на общее самочувствие и снижает возможность расставлять приоритеты. Он превращает людей в роботов-исполнителей, помогает им эффективно реагировать на внешние события, но лишает возможности полного самосознания и проактивных действий.

Более того, при разложении кофеина в организме образуется диметилксантин, который способствует выведению воды из организма. Частое употребление кофеина вместе с недостаточным потреблением воды способствует хроническому обезвоживанию, что вызывает ряд аутоимунных болезней и преждевременное старение органов.

Литература

1. http: //ru. wikipedia. org

2. http: //ximuk. ru

3. Буланов Ю. Б. :Кофеин (http: //alex. codis. ru)

4. Александр Павлович Орехов. Химия Алкалоидов. Изд-во Академии наук СССР, 1955 — Всего страниц: 859

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой