特邀文章：Christina Jayson 撰写
图片来源：Lisa Townley (左)；Pyogenes Gruffer (右)，Flickr。当我的有机化学教授告诉我，巧克力的主要分子成分可可碱与咖啡因仅因缺少一个甲基而不同时，我欣喜若狂：我可以跳过咖啡因代谢的一个完整步骤，避免咖啡的苦涩味道，并增加我的巧克力摄入量。我曾认为，当我喝下的咖啡因通过去除甲基而被代谢时，咖啡因会转化为可可碱（巧克力的主要化合物）（图 1）。在分子层面，甲基是指一个连接有三个氢原子的碳原子。它看似简单，但甲基是化学、生物学和生物化学中不可或缺的一部分。例如，额外的甲基可以帮助分子穿过血脑屏障进入我们的大脑——这个屏障可以保护我们的大脑免受血液中可能有害的外国分子的侵害 [1, 2]。就咖啡因而言，事实证明，该分子上多出的这个甲基是咖啡能够作用于我们的中枢神经系统并成为“能量助推器”的原因，而巧克力则是一种甜蜜的零食和平滑肌兴奋剂。
图 1：在体内咖啡因的代谢过程中，甲基（由黄色框突出显示）会从咖啡因中移除，并转化为可可碱（改编自 Wolf LK, 2013）[9]。那么，这两种分子是如何作用于身体的不同部位，使得在期中考试期间，人们宁愿选择咖啡而不是巧克力棒呢？咖啡因主要来源于阿拉比卡咖啡，也就是咖啡豆和种子 [3]。它主要是一种中枢神经兴奋剂，但同时也能兴奋心肌和骨骼肌，并放松平滑肌。巧克力，即可可碱，存在于可可树，也就是可可豆植物的种子产品中（图 2）。与咖啡因非常相似，可可碱有利尿作用；但它主要作用是舒张平滑肌和兴奋心脏 [3]。虽然这两种化合物有相似的作用，但关键区别在于咖啡因对中枢神经系统有影响，而可可碱最显著的作用是影响平滑肌 [4]。在行为研究中，咖啡因摄入可在 24 小时内提高自我报告的警觉性和情绪 [5]。适量摄入可可碱会产生轻微的愉悦感，但与咖啡因相比，在中等剂量下不会影响注意力或警觉性 [6]。
图 2：巧克力（左）由可可树，即可可豆植物种子制成，含有可可碱（摄影：Nic Charalambous）。咖啡（右）由阿拉比卡咖啡，即咖啡豆和种子制成，含有咖啡因（图片来源：JIhopgood/Flickr）。但这些化合物真正的区别在于分子层面。咖啡因和可可碱都属于甲基黄嘌呤化学家族。这些化学物质通过与大脑中的腺苷受体结合，从而阻止腺苷与受体结合，作为神经系统的兴奋剂 [7]。腺苷与腺苷受体结合通常会降低神经活动，因此咖啡因和可可碱的拮抗作用阻止了这种活动降低（图 3）。我们与大量饮用咖啡相关的能量和警觉性提升，是因为咖啡因阻止了身体对告诉它减速或停止兴奋的信号作出反应。有没有试过在喝了太多浓缩咖啡后，双手 uncontrollably 地颤抖？
图 3：咖啡因分子 (C) 与腺苷分子 (A) 竞争结合大脑中的腺苷受体（Schardt, 2012）[10]。实验表明，咖啡因对神经系统的作用比可可碱更强 [7]。咖啡因和可可碱都与腺苷竞争结合相同的腺苷受体。研究表明，咖啡因分子比可可碱更能有效地与腺苷竞争结合腺苷受体——咖啡因与这些受体的结合亲和力是可可碱的二到三倍 [8]。为了进入体内不同位置的腺苷受体，咖啡因上多出的甲基派上了用场。由于咖啡因有三个甲基，而可可碱只有两个，所以它更容易穿过血脑屏障。通过穿过血脑屏障，咖啡因可以作用于中枢神经系统。因此，虽然可可碱可以作为心脏兴奋剂和血管平滑肌松弛剂，但咖啡因——凭借其额外的甲基——却能进入中枢神经系统的神经元，并因此提高身体机能和警觉性。
图片来源：Chris Swift, Rogers Family Co [11]这意味着我放弃咖啡而选择巧克力的绝妙计划，实际上并不能将我的警觉性和能量提升到相同的水平。然而，享用巧克力风味的咖啡可能为我提供了一整天所需的咖啡因衍生物，以获得刺激。引用的参考文献
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Daly JW, Butts-Lamb P, and Padgett W. Subclasses of adenosine receptors in the central nervous system: Interaction with caffeine and related methylxanthines. Cell Mol Neurobiol. 1983. 1: 69-80.
Wolf LK. Caffeine Jitters. Chem & Eng News. 2013. 91(5): 9-12.
Schardt, D. Caffeine! Nutrition Action Healthletter. 2012.
Swift, C. (2014, June 2). Which is better for your brain? Beer or Coffee? You’ll never guess. [Web log post].
Christina Jayson 是一名近期毕业于加州大学洛杉矶分校的生物化学专业的学生，现为哈佛大学生物与生物医学科学项目的博士生。
