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On pense que la caféine agit sur le [[cerveau]] principalement par [[antagonisme]] de l'[[adénosine]], c'est-à-dire que la caféine bloque ses [[récepteur (biochimie)|récepteur]]s. L'[[adénosine]], lorsqu'elle se fixe sur les récepteurs des cellules nerveuses, diminue l'activité de la cellule par l'intermédiaire des [[protéines G]] qui restent fixées aux [[récepteur (biochimie)|récepteur]]s et ne peuvent donc pas amorcer la réaction en chaîne qui conduit à l'activité de la [[cellule (biologie)|cellule]] ; cela se produit par exemple durant le [[sommeil]]. La molécule de caféine, structurellement similaire à l'[[adénosine]], ne diminue pas l'activité des cellules ; au contraire, elle se fixe aux récepteurs et empêche l'action de l'adénosine.
 
L'augmentation de l'[[Système nerveux|activité nerveuse]] qui en résulte déclenche la libération d'[[adrénaline]], une hormone qui cause plusieurs effets tels que l'augmentation du rythme cardiaque ([[chronotrope]] +), de la contractilité du cœur ([[Inotropisme|inotrope]] +), de la [[pression artérielle]], de l'apport de [[sang]] aux [[muscle]]s, la diminution de l'apport de [[sang]] aux autres [[organe]]s (excepté le [[cerveau]]) et la libération de [[glucose]] par le [[foie]], par [[néoglucogénèse]] par exemple.
 
Par ailleurs, la caféine augmente les niveaux de [[dopamine]] (un [[neurotransmetteur]]) dans le [[cerveau]], comme le feraient des [[amphétamines]] par exemple.