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　　在大脑中咖啡因可以阻挡腺嘌呤核苷接受器。腺嘌呤核苷与它的接受器结合后可以减缓神经细胞的活动。一般在睡眠时两者结合。咖啡因分子与腺嘌呤核苷类似，可以与同一种接受器结合。

　　但它不促使细胞活动降低，相反地，它阻止腺嘌呤核苷与它的接受器结合。其结果是神经细胞活动增高，神经细胞分泌激素肾上腺素。肾上腺素导致心跳加快，血压增高，肌肉中的血流量提高，皮肤和内脏的血流量降低，肝脏向血液释放葡萄糖。此外咖啡因与氨基丙苯一样可以提高脑内的神经递质多巴胺。

　　与其它刺激中枢神经系统的物质和酒精不同的是，咖啡因的作用相当短。对大多数人来说，咖啡因不影响他们的注意力和其他高级智力功能，因此含咖啡因的饮料往往在工作场所饮用。

　　长时间饮用咖啡因可以导致身体对咖啡因的习惯化。假如这时中断使用咖啡因，身体会对腺嘌呤核苷过分灵敏，血压会过度降低，导致头疼和其它症状。最近的一些研究似乎说明饮用咖啡因可以减低获得帕金逊症的危险，但这个研究的结论还有待证实。

　　太多咖啡因可以导致咖啡因中毒。其症状是烦躁，紧张，刺激感，，面红，多尿和消化道不适。有些人在每日服用250毫克以下时就会有这些症状。每天多于1克可以导致痉挛，思想和语言突然转换，心跳不稳，心动过速和精神性激越。咖啡因中毒的症状有点类似恐慌症和全面化焦虑症。192毫克/体重千克 ，或对普通成年人来说， 72杯咖啡可能可以导致半数人死亡。 [来源请求]目前没有明确证据指咖啡因与骨质流失及症有相关性。在一项与可乐有关而不包括其他碳酸饮料的研究当中发现咖啡因并不是导致骨质流失的原因，相反当中磷酸的分量与年长出现骨质疏松有较直接的关系。