Caféine, théine, théobromine, guaranine, théanine, théophylline… On s’y perd !

Observons les consommations de boisson, dans le monde : le thé est la deuxième boisson la plus consommée après l’eau ; en France, c’est le café qui vient après l’eau ; en Chine, l’eau est suivie par le thé et le café ; en Inde, le thé reste la boisson nationale… même si le café augmente ; aux États-Unis, c’est l’eau en bouteille qui est la première consommation (25 %), avant les boissons gazeuses (22 %), mais vient ensuite le café (13 %). Bref le thé et le café sont largement consommés dans le monde. Pourquoi ? Le « goût » de ces boissons est important, évidemment, mais elles contiennent de surcroît des composés stimulants, dont les noms sont…

Les hésitations de la chimie des alcaloïdes

Oui, quels sont vraiment les composés stimulants présents dans les cafés, thés, chocolats, guaranas ou matés ? Il y a de la confusion, notamment parce qu’il y a les scories de l’histoire de la chimie, et que, de ce fait, il y eut des hésitations à propos des dénominations, avant que l’Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA ;  en anglais IUPAC) ne fasse finalement son salutaire travail terminologique.
La caféine, pour commencer, fut initialement isolée en 1819 – et nommée Kaffein- par le chimiste allemand Friedlieb Ferdinand Runge (1794-1867), à qui le romancier Johann Wolfgang von Goethe avait confié des grains de café (Coffea). Runge était un chimiste précoce : il n'avait que 25 ans quand  il parvint à isoler des cristaux blancs, à partir de la matière première que Goethe lui avait donnée. Lors de ce travail, il avait procédé classiquement, suivant l'exemple des pionniers de la chimie végétale, avec des dissolutions, des évaporations, des cristallisations… qui établissent finalement la pureté des corps séparés : les cristaux sont faits de molécules régulièrement empilées, et de tels empilement ne se forment que si les molécules sont toutes identiques, excluant les molécules d’autres composés qui auraient été initialement présentes dans l’extrait que l’on cristallise.
Le travail de Runge étant passé inaperçu, la caféine fut redécouverte une première fois par le pharmacien français Pierre-Jean Robiquet en 1820, qui présenta son travail à l’Académie de pharmacie en 1821, sans le publier (Wisniak, 2013), puis une seconde fois par Joseph-Bienaimé Caventou et Pierre-Joseph Pelletier en 1821.
Quelques années plus tard, en 1827, Alphonse Oudry isola de même la « théine » à partir des feuilles de thé, tandis que, en 1840, Marcelin Berthelot et Claude Dechastelus isolèrent le composé actif du guarana, qu’ils nommèrent guaranine (Dechastelus, 1860).
Dans tous les cas, on trouve des cristaux blancs, de saveur amère, mais les chimistes allemands montrèrent ensuite qu’il s’agissait dans tous les cas de caféine (Würtz, 1870), dont la structure de la molécule fut établie par le génial chimiste allemand Emil Fischer, qui en réalisa la synthèse en 1895.

Finalement, la théine est en réalité la caféine, tout comme la guaranine, et si l’on veut utiliser le nom de l’IUPAC), c’est même la 3,7-dihydro-1,3,7-trimethyl-1H-purine-2,6-dione (nous conserverons le nom « caféine », dans la suite).
La caféine est un « alcaloïde », ce qui signifie que c’est un composé extrait de plantes, dont la molécule est organique, avec des atomes de carbone, hydrogène, oxygène, et azote. Ces atomes sont arrangés en « hétérocycles », avec des atomes de carbone enchaînés en cycles (cinq ou six atomes) et possiblement des atomes d’azote ou d’oxygène (IUPAC, 2019). La figure 1 montre ainsi la molécule de caféine.


Figure 1. Sur cette représentation de la molécule de caféine, les sommets sont occupés par des atomes de carbone (C), sauf quand une lettre N est indiquée, ce qui correspond à un atome d’azote. Les lettres O et H désignent respectivement des atomes d’oxygène et d’hydrogène. Pour plus de clarté, certains atomes d’hydrogène sont omis, mais les atomes de carbone ont toujours quatre liaisons et les atomes d’azote en ont trois.

 

Finalement, la caféine est donc un alcaloïde de la famille des méthylxanthines que l’on trouve dans le café, mais aussi dans le chocolat, le thé, la noix de kola, la guarana (la plante qui a la plus haute concentration), le maté… Soluble dans l’eau, elle se retrouve dans les boissons que l’on prépare à partir de ces plantes.

D’autres composés stimulants

Si la caféine se confond avec la théine ou la guaranine, voire la matéine (noms qui doivent être oubliés), elle diffère toutefois de deux autres stimulants de la même famille, qui sont la théobromine (3,7-diméthylxanthine) et la théophylline (1,3-diméthylxanthine) (Paula Lima et Farah, 2019). La caféine est présente dans le café, thé, maté, guarana et chocolat, mais la théobromine n’est que dans le maté, le guarana et le chocolat, tandis que la théophylline est présente dans le thé, le café, le maté, le guarana et le chocolat.


Figure 2. Les molécules de théobromine (en haut) et de théophylline (en bas).

 

 

En dépit de son nom, la théobromine ne contient pas d'atomes de brome : son nom est dérivé de Theobroma, nom générique du cacaoyer, composé des racines grecques Theo (« dieu ») et broma (« nourriture »), signifiant « nourriture des dieux ». On en trouve environ 5 à 10 milligrammes par gramme de chocolat. Et tous ces composés ont des actions semblables, avec des variations.
La caféine, par exemple, est un psychostimulant ; il entraîne une accélération du rythme cardiaque et une vasodilatation, des performances sportives, ainsi qu’une capacité de travail mental accrues (Palatini et al., 2009; McLellan et al., 2016). Les phénomènes d’accoutumance semblent réels : ils apparaissent à des doses de 3 fois 400 mg/jour pendant 7 jours. La dépendance ne semble pas d’ordre psychologique, mais liée à l’excès de récepteurs à l’adénosine et au manque de récepteurs à la dopamine. L’intoxication à la caféine exige plus de 600 mg de caféine par jour pendant une durée prolongée ; ce n’est pas véritablement un poison comme le sont beaucoup d’alcaloïdes végétaux, mais elle peut malgré tout être mortelle à des doses correspondant à 60 à 100 tasses prises en un temps limité (dose létale DL50 : 150 à 200 mg par kg de masse corporelle). Elle passe dans le lait maternel, et surtout traverse la barrière placentaire et le fœtus a une caféinémie identique à celle de sa mère.
Malgré l’existence de ces alcaloïdes dans plus de 100 espèces de plantes (Zulak et al., 2006), ils ne sont consommés par par le café (Coffea sp), le thé (Camelia sinensis), le maté (Ilex paraguariensis), le chocolat (Theobroma cacao), les graines de guarana (Paulinia cupana) et de cola (Cola nitida) (Tarka and Hurst, 1998). La caféine et -rarement- d’autres methylxanthines sont ajoutées à des boissons « énergisantes ».
Comme beaucoup d’alcaloïdes produits par les plantes, la caféine serait à la fois un pesticide naturel détruisant les insectes s’attaquant à la plante et un inhibiteur de la germination des graines autres que celles produites par la plante, lui offrant ainsi une meilleure chance de survie.

La théanine : rien à voir !

Le nom « théanine » ressemble à celui -périmé, donc- de théine, mais il désigne un composé qui n’est pas un alcaloïde, mais un acide aminé non essentiel : la théanine, ou acide 2-amino-4-(éthylcarbamoyl)butyrique, est un acide aminé communément présent dans le thé. La fermentation réduit sa teneur. Tandis que l’exposition au soleil la convertit en polyphénols. Ainsi, le thé vert ou le matcha japonais est le plus riche en théanine.
Son activité sur le cerveau permet une réduction du stress mental et physique et produit un effet relaxant. La figure 2 montre bien que les molécules de théanine et de caféine sont parfaitement différentes :

 


Figure 3. La théanine est un acide aminé (avec une fonction amine -NH2) et une fonction acide carboxylique (-COOH).

Terminons en signalant que nombre de sites internet, notamment des sites marchands en sont restés à des confusions terminologiques qui révèlent leur ignorance réelle de la chimie, tandis qu’ils affichent des données erronées sur les teneurs en divers composés, dans un affreux mélange des catégories chimiques qui révèle immédiatement une ignorance qui devrait alerter les visiteurs : n’a-t-on pas vu des confusions entre les xanthines et les composés phénoliques ? Des différences entre théine et caféine ? Sans compter les « effets bénéfiques » que ces marchands d’orviétan invoquent sans retenue. A ces élucubrations mensongères, on préférera toujours le site de l’Agence nationale de sécurité des aliments (Anses, 2020).

 

Références :

Anses. 2020. « Caféine », https://www.anses.fr/fr/search/site/caf%C3%A9ine?iso1=fr&iso2=en

Beaufort B. 2018. La mercatique transatlantique d’un végétal psychoactif : le guaraná entre remède
et aliment (1840-1921) », Confins, DOI : https://doi.org/10.4000/
confins.13215.

Dechastelus M. 1860. Guarana de Dechastelus, Pharmacien-Inventeur, 56, rue d’Anjou-Saint-Honoré, 56, contre Les Diarrhées, les Dyssenteries aiguës ou chroniques, l’Hémoptysie, les Catarrhes chroniques de Vessie et de Poitrine, la Lencorrhée, certaines migraines et Névralgies. In Recueil de notices sur ses préparations du guarana, Typographie de E. Brière, rue Saint-Honoré, Paris, 257.

Gravelle MNA. 1840. Notice sur une nouvelle substance médicinale appelée Paullinia, Giraudet et Jouaust, Paris.

IUPAC. 2019. Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book"). Compiled by AD McNaught and A Wilkinson. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). Online version (2019-) created by S. J. Chalk. https://doi.org/10.1351/goldbook.

McLellan TM, Caldwell JA, Lieberman HR. 2016. A review of caffeine’s effects on cognitive, physical and occupational performance, Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 71 (12), 294-312.

Palatini P, Ceolotto G, Ragazzo F, Dorigatti F, Saladini, F, Papparella I, Luciob M, Zanata G, Santonastaso M. 2009. CYP1A2 genotype modifies the association between coffee intake and the risk of hypertension, Journal of Hypertension, 27(8) 1594-1601.

Paula Lima JD, Farah A. 2019. Methylxanthines in stimulant foods and beverages commonly consumed in Brazil, Journal of Food Composition and Analysis, 78, 75–85.

Richard A. 1838. Elémens d'histoire naturelle médicale, volume 1, Béchet, Paris.

Tarka SMJ and Hurst WJ. 1998. Introduction to the chemistry, isolation and biosynthesis of methylxanthines. In Spiller GA (eds) Caffeine, CRC Press.

Wisniak J. 2013. Pierre-Jean Robiquet, Educ. quím., 24 (sp. issue 1), 139-149.

Wurtz Ad. 1870. Dictionnaire de chimie pure et appliquée, Hachette, Paris (Fr), 1(2), 693. Zulak et al., 2006.

Zulak KG, Liscome DK, Ashihara H, Facchini PJ. 2006. In Plant Secondary Metabolites: Occurrence, Structure and Role in the Human Diet (Crozier A, Clifford MN et Ashihara H eds), Blackwells, Oxford, 102–136.


2 commentaires pour “Caféine, théine, théobromine, guaranine, théanine, théophylline… On s’y perd !”

  1. Marc Bianciotto Répondre | Permalink

    Merci pour cet exposé passionnant! Si je peux me permettre, une toute petite suggestion pour faciliter la comparaison des structures de la caféine, de la théophylline et de la théobromine, ça serait de retourner la structure de la théobromine de façon à ce que les cycles soient orientés de la même façon. De cette façon, la parenté entre les trois molécules est vraiment évidente, avec juste une différence du nombre ou de la position des groupes méthyles pour les différencier. A force, on finit par aligner les structures de tête sans y penser, mais ces petites questions de représentations de rien aident parfois terriblement pour faire passer des messages à de plus novices.

  2. Hervé This vo Kientza Répondre | Permalink

    Vous avez mille fois raisons... et même mieux, il faut homogénéiser les représentations des résonances ! Et notamment, je devrais TOUJOURS éviter la représentation de doubles liaisons quand les électrons sont délocalisés ! Car je sais d'expérience que certains croient qu'il y a des possibilités d'addition sur des aromatiques alors que cela n'existe pas !

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