漫画咖啡因:效力原理漫谈

神译局2021-04-16
刚喝完很精神,但之后更颓。

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编者按:咖啡因可能是当今社会唯一一种被认可的成瘾“药物”,我们可以大大方方承认对咖啡上瘾,而不会产生任何不良的社会影响。只要小小一杯,就能让人精神为之一振。但是为什么喝完咖啡就会精神?为什么精神过后,人会比以前更累?作者在文中用漫画的形式解释了咖啡因使人精神振奋的原理。本文来自Medium,作者David B. Clear,原文标题“How Caffeine Works”。

图片来自Medium

你是否想过咖啡因的工作原理?到底是哪些成分有如此强悍的力量?

事实证明,不管是以哪种形式(含糖饮料、含糖苏打水、咖啡等),咖啡因起作用的原理都是相同的。具体来说,咖啡因是作为腺苷受体拮抗剂来发挥作用的。不用担心,我将在文中用漫画的形式解释其中的原理。

什么是腺苷?

想要了解咖啡因,你首先需要了解腺苷(adenosine)。想要了解腺苷,你首先需要了解ATP。事实上,ATP是一种重要的分子,生物化学家将其称之为“生命的燃料”。

我们就从ATP开始讲起。

我们需要食物才能生存,其中很重要的原因就是食物能为我们提供能量,这些能量是我们的肌肉、大脑和体内所有生物反应的基础。问题在于,我们不能直接给大脑塞披萨,指望脑细胞可以立刻吸收其中的能量。

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毕竟,不管我们将一块披萨切到多小,都不能被细胞所吸收。食物进入我们的体内后,需要被分解和消化,使之成为可以供身体吸收的分子。这一步是需要肠胃来完成的,而分解出来的分子之一就是葡萄糖。

和披萨不同,葡萄糖是一种足够小的分子,可以融进血液、遍布全身。但是,尽管葡萄糖足够小且含有能量,它仍然无法轻易地被其他细胞所吸收。所以,葡萄糖需要被进一步分解。幸运的是,人体中有一种机制可以做到这一点,这一步是在线粒体中完成的。

线粒体吸收一部分葡萄糖和氧气,并在细胞呼吸的过程中将葡萄糖进一步分解。将葡萄糖分解后就产生了ATP,它的全称是三磷酸腺苷。这就是我们前文提到的“生命的燃料”,它是细胞运作的动力。

举个例子,如果细胞是街头游戏机,那么ATP就是游戏币,只有投入足够的游戏币,游戏机才可以正常运转。

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没有游戏币,游戏机就会黑屏。没有ATP,细胞就会停止运作。

ATP有一个非常花哨的化学公式:

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非化学专业的朋友可能对这样的公式感到恐惧,别担心,我会将它简化一下,使读者便于理解:

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在这张图片里,如大家所见,ATP是由一个腺苷分子和三个磷酸盐组成,这就是它的名字——三磷酸腺苷——的由来。

现在,为细胞提供能量的正是ATP中锁在一起的三个磷酸盐(下图黄色部分)。

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三个磷酸盐的化学键能通过水解的方式分解。所谓的水解,就是通过水破坏化学键,释放能量。

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分解的过程中会产生大量的能量,而这些能量正是我们体内细胞中所需要的。它不仅是肌肉细胞收缩和膨胀的动力,还是大脑细胞产生电的源泉,更为蛋白质和脂肪等复杂分子的构建提供动力,或者是使物质得以进出细胞。简而言之,它为人体存活所需的所有细胞活动提供能量。

在水解过程丧失一个磷酸盐后,我们看到的就只剩下“二磷酸腺苷”(ADP),也就是一个腺苷分子和两个磷酸盐链接。

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这两个磷酸盐的化学键中还保存一定能量,能量会在下一次水解过程中释放出来。

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随着第二个磷酸盐的消失,我们现在只剩下一个磷酸盐和腺苷,它被称为单磷酸腺苷(AMP)。

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当最后一种磷酸盐也用尽后,我们就只剩下一个“孤零零”的腺苷分子。

图片来自Medium

那么什么是腺苷呢?我们知道它是一种咖啡因拮抗剂(这个名词我之后会解释),是三个磷酸盐被水解后仅剩的分子。

腺苷如何使人犯困

你可能听过褪黑素,这是一种可以滲入血液的催眠激素。但是,褪黑素和黑夜并不是我们犯困的唯一原因。人的疲劳程度还取决于自己白天的活跃程度——如果在沙发上坐了一整天看电视,那么到晚上也不会觉得很累。但是如果每天忙于考试,或者在客厅里到处乱跑,那么一天之后就会感到劳累。

那么,使我们感到劳累的深层原因到底是什么?事实上,人越是活跃,对能量的需求就越高,消耗的ATP就越多。我们已经了解了在水解释放能量的过程中,ATP会变成ADP、AMP和最终的腺苷。一天下来,大量的腺苷堆积正是我们感到困倦的原因。

在我们的大脑里,就有专门为接收腺苷的神经受体。

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你可以将这些受体想像成为腺苷量身定做的“接收站”。

图片来自Medium

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一旦这些腺苷分子插入受体,就会启动相应的生物化学反应,对外表现就是神经元反应迟钝。如果比喻的话,就相当于腺苷分子开始向神经元唱催眠曲,使人困倦。

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当大脑中有越来越多的腺苷,我们的倦意就会越来越浓。

图片来自Medium

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这就是为什么白天越活跃,ATP消耗越多,我们最终就会感到越劳累。

咖啡因会干扰腺苷的“催眠曲”

我们已经了解了腺苷的积累如何使人感到困倦。现在我们可以开始了解咖啡因可以成为腺苷拮抗剂的原因。

让我们先看一下腺苷和咖啡的化学式:

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我在这里将化学式简化了一下:下图中左边蓝色的是腺苷,右边橘色的是咖啡因。

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咖啡因和腺苷的形状相似,可以落在大脑中为腺苷设立的受体中。

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但和腺苷不同,咖啡因不会减缓神经元的运作。咖啡因占据了这些受体,阻止腺苷给大脑唱“催眠曲”,从而让我们保持清醒。

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用科学术语来讲,咖啡因就是腺苷的拮抗剂(antagonist)。顾名思义,拮抗剂就是堵塞某些生化反应受体的物质。当我们说咖啡因是腺苷的拮抗剂,意思就是咖啡因可以阻挡腺苷进入受体,从而阻断腺苷的功能。

因为腺苷的作用就是使人困倦,因此被咖啡因阻塞后我们就会保持清醒。

腺苷的“复仇”

咖啡因阻断腺苷受体的能力非常强,有时候它可以让你一整天保持清醒。但是和所有药物一样,咖啡因也有自己的缺点。简单来说,就是人的大脑会重新“长”出受体,来接收这些游离在外的腺苷。

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新的受体长出来后,就意味着:一些受体被咖啡因占据,另一些则被腺苷占据。

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因此,在喝完咖啡过了一定时间后,咖啡因就不再使人清醒。我们可能会有一段时间处于中间状态:既不困,也不精神。

喝咖啡不再起作用的现象也可以用“咖啡耐受性”来解释:一旦你开始习惯了咖啡因,你就需要更大剂量的咖啡因来阻断新长出的受体。

更糟糕的,在缺乏咖啡因刺激的情况下,你的大脑会接收更多的腺苷,因此倦意就更明显。

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结果就是,在没有咖啡因的情况下,人会因为疲惫而睁不开双眼,需要更多杯意式浓缩。

译者:Michiko

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