咖啡为什么能够提神

清晨的第一缕阳光透过窗户洒落在你的脸上，你伸了个懒腰，却依然感到些许疲惫。这时，一杯香气浓郁的咖啡，便是唤醒你活力之泉的最佳选择。

当你喝咖啡的时候，有没有想过：“为什么咖啡能够提升，它有什么魔力呢？”

疲劳的原因

在讲咖啡什么能够提神之前，我觉得我们有必要从生物化学角度来探讨一下人为什么会感到困。

ATP的水解过程

对于人体来说，我们通过细胞内的线粒体来为细胞供能，这一过程我们通常称之为：ATP的水解

作者 Scheme_sodium-potassium_pump-en.svg: LadyofHats Mariana Ruiz Villarrealderivative work: Shakiestone (talk) - Scheme_sodium-potassium_pump-en.svg，公有领域，链接

其中ATP（腺苷三磷酸）的水解过程是细胞内能量释放的关键机制。ATP水解通常是指将APT转化为ADP（腺苷二磷酸）和Pi（无机磷酸）的过程。

其中ATP是由腺苷和三个磷酸基组成，ATP在非缓冲水溶液中不稳定，会水解为ADP和磷酸。这是因为ATP分子中的P-O-P键比形成的磷酸键能小，且产生了产物间和水间的氢键释放能量，使得反应放热而自发进行。其中最左边的两个磷酸键又被成为高能磷酸键，当细胞内发生能量转换的时候，对应的磷酸键就发生断裂（放热）或者生成（吸热）。

ATP水解的化学反应我们可以用以下公式表示：

ATP + H₂O → ADP + Pi + 能量

当放热反应结束后会生成ADP，正常情况下这些ADP又会马上参与吸热反应，重新生成ATP

困倦与ATP的关系

ATP的水解过程与困倦之间有着很大的关系，这种关系主要体现在能量代谢与神经地址的调节上：

1. 能量供应与ATP水解

ATP供应：
- 大脑是人体内最耗能的器官之一，约消耗体内20%的总能量。神经元活动需要大量的ATP来维持电位差、神经递质的合成和释放，以及其他代谢活动。
- 在清醒状态下，神经元高度活跃，ATP快速水解以提供能量，这会导致腺苷（一种由ATP分解产生的代谢产物）在大脑中的积累。

2.腺苷的作用

腺苷的积累：
- 腺苷是ATP分解的产物之一。当ATP水解并释放能量后，产生的腺苷会在大脑中逐渐积累。
- 腺苷在大脑中特定部位的受体（主要是A1受体）上起作用，抑制神经元的兴奋性，促进睡意的产生。这种抑制作用是一种保护机制，防止过度的神经活动，帮助恢复和保存能量。

3.褪黑素的调节

褪黑素的作用：
- 褪黑素是一种由松果体分泌的激素，它的分泌与光线有直接关系。在夜间或黑暗环境中，褪黑素的分泌增加，促进困倦和入睡。
- 褪黑素的作用受到腺苷的影响，腺苷的积累可以增强褪黑素的作用，共同促进睡眠。

4.神经递质和激素的调节

其他神经递质的作用：
- 除了腺苷，其他神经递质如γ-氨基丁酸（GABA）和5-羟色胺（5-HT）也参与睡眠调节。这些神经递质的合成和释放同样依赖于ATP的供应。
- ATP的水解产生能量，支持这些神经递质的合成和释放，从而调节睡眠-觉醒周期。

5.睡眠债和恢复

睡眠债的概念：
- 在清醒状态下，大量的ATP被水解和利用，导致腺苷的积累和能量的消耗。睡眠期间，腺苷水平下降，ATP水平恢复，为下一次清醒提供能量储备。
- 长期睡眠不足会导致“睡眠债”的积累，表现为困倦和疲劳感增强。充分的睡眠有助于恢复ATP水平，清除腺苷积累。

我们可以通过一个简单的流程图来了解此过程：

咖啡的作用

咖啡之所以能够提神，其中最重要的一种成分就叫做咖啡因

作者 NEUROtiker - 自己的作品，公有领域，链接

咖啡因能够拮抗腺苷受体{A}_{2}，有效地阻止了腺苷受体部位的腺苷，推迟了睡意，并释放出了多巴胺。咖啡因在化学上与腺苷很像，也能够与腺苷受体进行结合，不过咖啡因与腺苷受体结合后“占着茅坑不拉屎”，无法让腺苷受体激活，同时也无法被水解，导致腺苷无法与受体结合，从而抑制困觉的产生。