在人体内，广泛存在着一种称为三磷酸腺苷的物质，它是核酸的组成成分，也是提供能量的源泉。这种物质在腺苷酸环化酶的作用下，能转变成环磷酸腺苷。如果脑组织内的环磷酸腺苷含量增多，会提高大脑皮层的兴奋剂。然而，环磷酸腺苷也会在磷酸二酯酶的作用下，分解而失去兴奋作用。
咖啡中主要含咖啡因、可可碱和茶碱等生物碱，这三种生物碱都是黄嘌呤衍生物，它们的结构与环磷酸腺苷相类似，都能够同磷酸二酯酶相结合。
当咖啡经胃肠道吸收，通过血循环到达脑组织时，咖啡中的三种生物碱就会与磷酸二酯酶结合，这就抑制了磷酸二酯酶与环磷酸腺苷的结合，从而使脑组织内环磷酸腺苷的含量相应增多，这就改变了中枢神经系统触膜离子通道，使神经反射的潜伏期缩短，对大脑皮层起着明显的兴奋作用。所以，人们饮了咖啡之后，就会感到精神兴奋，思维活跃，对外界事物的感受能力也会提高。
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