Немного о катехин-кофеиновых комплексах

В чайном рунете существует стереотипное объяснение более плавному и длительному стимулирующему действию чая по сравнению с кофе, состоящее в том, что в кофе кофеин находится в свободной форме, а в чае – в связанных формах, из которых он постепенно высвобождается. Никаких доказательств, как правило, не приводится, но многократные повторы превратили это утверждение в сознании любителей чая в нечто само собой разумеющееся. В российском чайном сообществе этот механизм работает великолепно.

У меня же этот тезис всегда вызывал сомнения и вопросы. Что это за связанные формы? С чем в чае кофеин может связаться? Если попробовать спросить об этом людей, бездумно повторяющих чужие рассказы про связанный кофеин, то одни просто разводят руками, а другие начинают говорить что-то про белки, что, конечно, глупость – количество белков в чайном настое ничтожно, это мы подробно разбирали здесь: https://vk.com/club47905050?w=wall-47905050_17677 . Третьи выдвигают предположение о связи кофеина с полифенолами чая – катехинами. Но каков механизм этой связи? И почему такие связи не возникают в кофе? Ведь в кофе тоже есть полифенолы.

В 2010-х группа учёных факультета фармакологии и фармацевтических наук Университета Фукуямы опубликовала ряд работ, которые могут пролить свет на механизмы взаимодействия кофеина и катехинов в чайном настое (но – сразу подчеркну – не на причины более плавного и длительного действия чая!): https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/27373623/ , https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22976328/ , https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22864351/ и др. Первую из этих статей в формате pdf я прикрепил к посту для самостоятельного ознакомления.

Внимание японских исследователей привлекло явление «чайных сливок» («creaming down») – воникновение белёсого или коричневатого помутнения при охлаждении крепкого настоя чая. Предполагалось, что оно связано с образованием комплексов кофеина с катехинами, теафлавинами и теарубигинами, однако детально эти процессы не были изучены.

Цуцуми Хироюки, Исидзу Такаси и Сато Такаси использовали смесь катехинов, выделенных из зелёного чая. Вместе с эквимолярным количеством кофеина её растворяли в дейтериевой воде при 90°С и оставляли на день при комнатной температуре. Раствор разделялся на липкий белёсый осадок (преципитат) и прозрачную надосадочную жидкость (супернатант), после чего количество кофеина и катехинов в преципитате и супернатанте измеряли при помощи количественной ЯМР-спектроскопии. Было установлено, что 83,2% исходного количества кофеина оказалось в преципитате; из полифенолов больше всего выпало в осадок эпигаллокатехингаллата (ЭГКГ) – 82,3%, эпикатехингаллата (ЭКГ) – 83,2% и катехина – 64,7%. Других катехинов в осадке было существенно меньше – около 50% от исходного количества. В дальнейшем было изучено взаимодействие кофеина с ЭГКГ, ЭКГ и эпикатехином (он представляет бóльший интерес, чем катехин, поскольку в чае его в несколько раз больше) и структура образующихся при этом комплексов.

Липкий осадок, образующийся при охлаждении раствора кофеина и ЭГКГ, медленно кристаллизовался – после выдерживания в течение трёх месяцев при 10°С из него формировались прозрачные кристаллы. Примерно так же вёл себя раствор кофеина и ЭКГ. А вот из раствора кофеина с эпикатехином осадок не выпадал, но при лиофилизации можно было получить аморфный порошок, из которого после перекристаллизации из метанола также получались бесцветные кристаллы.

Кофеин был связан с ЭГКГ в соотношении 2:2, причём молекулы ЭГКГ были кристаллографически различны (см. рис. 1, 2). Кристаллическая решётка имела слоистую структуру, ячейка решётки состояла из четырёх единиц комплекса кофеин-ЭГКГ 2:2 и шестидесяти молекул воды. Связи между молекулами кофеина и ЭГКГ, естественно, не ковалентные – это водородные О-Н•••N и О-Н•••О связи, π–π–стэкинг между кольцами ЭГКГ и ксантиновым скелетом кофеина, СН-π–взаимодействие.

С ЭКГ образовывался комплекс кофеин-ЭКГ 4:2, ячейка кристалла состояла из двух единиц такого комплекса и двенадцати молекул воды (см. рис 3, 4).

В кристаллах комплекса кофеина с эпикатехином ячейка состояла из одной молекулы кофеина, одной молекулы эпикатехина и восьми молекул воды (см. рис 5, 6).

Если сравнить пространственные структуры этих трёх комплексов (см. рис. 7), то видно, что молекулы ЭГКГ и ЭКГ образуют замкнутые гидрофобные пространства. На фрагменте 7(b), где убраны молекулы кофеина и показаны молекулы воды, это особенно наглядно. Очевидно, этим и объясняется более низкая растворимость этих комплексов при комнатной температуре по сравнению с комплексом кофеин-эпикатехин, в котором нет таких ограниченных со всех сторон гидрофобных пространств (см. рис 7(с)).

Это также может объяснить, почему явление «creaming down» не наблюдается в кофе. Основные полифенолы кофе – кофеилхинные кислоты (см. http://phenol-explorer.eu/contents/food/552 ), хлорогеновая, неохлорогеновая и криптохлорогеновая, имеют лишь по одному ароматическому кольцу в молекуле и едва ли способны формировать структуры с гидрофобными пространствами внутри. Хотя комплексы кофеина с этими кислотами вполне могут существовать.

У внимательных читателей должен возникнуть вопрос, почему образование «чайных сливок» чаще наблюдается в чаях с высокой степенью окисления полифенолов – в красных чаях и шу пуэрах, коль скоро там остаётся совсем немного исходных, восстановленных форм катехинов, таких как ЭГКГ и ЭКГ. Однако продукты их окисления и конденсации, теафлавины, теарубигины и теабраунины тоже должны быть способны к стэкингу и другим нековалентным взаимодействиям с кофеином и друг с другом.

Японские учёные предположили, что место кофеина в комплексе с ЭКГК могли бы занять и другие молекулы, подходящие по размеру и способные к π–π–стэкингу. И им удалось получить комплексы ЭГКГ с никотинамидом (см. рис 8,9), пиридином и другими гетероциклическими соединениями.

В более ранних работах рассматривались также комплексы кофеина с катехином (1:1), катехингаллатом (2:1), катехином и эпикатехином (2:1:1) – см. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21804246/ .

Всё это, однако, не имеет никакого отношения к фармакокинетике и фармакодинамике, это важно твёрдо уяснить. Это исследование пространственной структуры комплексов кофеина с полифенолами чайного настоя, не больше и не меньше. Такие комплексы, как видите, существуют. Но это ещё не означает, что их образование как-либо влияет на скорость, полноту и другие параметры всасывания кофеина и его действия на организм.

Рис. 1. Комплекс кофеин-ЭГКГ 2:2. (a) – единица комплекса, (b) – одна ячейка кристаллической решётки.

Рис. 2. Комплекс кофеин-ЭГКГ 2:2. (a) – слоистая структура, (b) – межмолекулярные взаимодействия.

Рис. 3. Комплекс кофеин-ЭКГ 4:2. (a) – единица комплекса, (b) – одна ячейка кристаллической решётки.

Рис. 4. Комплекс кофеин-ЭКГ 4:2. Слоистая структура и межмолекулярные взаимодействия.

Рис. 5. Комплекс кофеин-эпикатехин 1:1. (a) – единица комплекса, (b) – одна ячейка кристаллической решётки.

Рис. 6. Комплекс кофеин-эпикатехин 1:1. Слоистая структура и межмолекулярные взаимодействия.

Рис. 7. Сравнение пространственных структур. (а) – комплекс кофеин-ЭГКГ 2:2, (b) — кофеин-ЭГКГ 2:2, молекулы кофеина убраны, красные кружки – молекулы воды, (с) – комплекс кофеин-эпикатехин 1:1, (d) – комплекс кофеин-ЭКГ 4:2.