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喝咖啡聊生理鐘

2015/01/05 | | 標籤:
credit: CC by Dan Lacher@flickr

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咖啡已是現代人的提神飲料,許多人要是早晨不來杯香醇咖啡整天都會提不起勁腦袋昏沉沉,好像連日常生活都失去了色彩。但是愛喝咖啡的你,真的認識你手中這杯可人兒嗎?

咖啡讓人清醒, 是因裡面所含的咖啡因 (caffeine),這是一種天然鹼, 是許多植物都能製造的自我防禦機制。有些昆蟲碰上了含有大量咖啡因的植物,會因為攝取過量而麻痺甚至死亡。(註1.)咖啡因的化學結構和腺苷 (adenosine)非常接近,當我們攝取咖啡時, 咖啡因會穿過血腦障壁(blood brain barrier) 與腺苷受體 (adenosine receptor) 結合抑制其活性(receptor blockade)。在啟動睡眠的機制中,有一類型是當腦中的腺苷濃度增加到一定程度,與受體的結合會降低神經活動使大腦進入睡眠狀態。當一進入睡眠狀態,腺苷的濃度因代謝速度變慢而減少, 大腦的神經活動會漸漸活躍,我們也就跟著清醒過來。而咖啡因所扮演的角色就是與腺苷競爭其受體,並抑制下游的訊息傳遞,因此能保持神經的活性狀態達到醒神的效果。咖啡因也會提高心跳速率,並促進肝醣分解葡萄糖。 因此,咖啡因不僅能提高腦部活性也能增加血液中的葡萄糖濃度以備大腦和肌肉的需求。除此之外,咖啡因的代謝產物對我們的身體也有多方面的影響。

 

經過肝臟的代謝後,咖啡因的代謝物分別為副黃瞟呤 (paraxanthine)、可可鹼 (theobromine)、 和茶鹼 (theophylline)。 其中以副黃瞟呤為大宗,能夠促進脂肪的代謝,提高血中脂肪酸 (fatty acid) 與甘油 (glycerol)的濃度。 可可鹼會使血管擴張促進排尿,這也是為什麼咖啡是利尿劑的原因。茶鹼能夠舒緩支氣管的平滑肌,但其含量太少,並不足以提供醫療上的氣喘治療。成年男性的咖啡因代謝半衰期約為5小時, 成年女性為5~10小時,因此女性對於含咖啡因飲料比男性更敏感、更容易晚上失眠。

許多常喝咖啡的人認為沒有攝取到咖啡因似乎就沒有辦法真的打起精神,這時常會開玩笑地說:「對咖啡因上癮了啦!」但在嚴格的醫學標準之下,上癮的定義是「需逐漸提高攝取量才能達到效果,」比如說,吸毒患者在短時間內的吸食量必須不斷提高才能達到滿足的刺激。 但對一般人而言,長期喝咖啡的量是固定的,有些人習慣一天一杯,有些人必須早上下午各兩杯, 無論如何,他們的飲用習慣都能維持長期不變。 再者,中斷上癮藥物會出現嚴重的「禁斷症狀」(註2.),但咖啡的愛好者即使中斷咖啡的攝取,除了不習慣的昏沉之外並沒有更嚴重的症狀出現。 因此,那些沒有咖啡似乎就無法工作的人, 其實不是對咖啡上癮,嚴格來說,他們只是對咖啡的「依賴」比較深而已。 關於咖啡因的利與弊 (註3. &註4.) 科學界目前還沒有定論,泛科學有相關的文章報導,而我們在閱讀相關報導時,應該盡量閱讀作者所參考的原文,了解該研究在實驗設計上或是實驗結果的理解上是否夠客觀或僅是過度解讀。

生理時鐘掌管著我們的睡覺節律,如果咖啡因能保持大腦活躍讓我們不那麼想睡覺,那是不是也會影響我們的生理時鐘呢?在細胞內的層次上,咖啡因的攝取不僅影響位於大腦的中央時鐘 (central clock) 也影響位於組織中的周邊時鐘 (peripheral clock),從透過對老鼠的實驗結果可知,咖啡因會延遲 (phase delay)中央時鐘,並且干擾光訊號對中央時鐘的調控;另一方面,咖啡因也會影響其周邊時鐘,若於白天攝取咖啡因會延遲 (phase delay)周邊時鐘,於晚上攝取則會前置 (phase advance)周邊時鐘。 這些周邊時鐘負責調控著周邊器官系統 (peripheral organ system)像是肝臟、腎臟的功能,而生理時鐘的前置或是延遲代表著基因轉錄/轉譯 (transcription/ translation)的表現受到了影響,暗示著這些重要代謝器官的調控也會受到影響。既然咖啡因會影響生理時鐘,科學家們自然想知道這日常飲料能不能幫助因長途旅行有時差困擾 (jet lag)的人或是值大夜班的人 (shift workers)。目前相關研究指出,雖然咖啡因的攝取能讓人保持清醒,但關於是否降低在工作上因疲勞而易有的傷害或是錯誤,仍有爭議。

此外,也有人從皮質醇 (cortisol)的角度來看咖啡與生理時鐘的議題,建議咖啡愛好者的飲用時間應該是起床後1~2小時。 皮質醇與退黑激素 (melatonin)同為生理時鐘系統內重要的訊息傳遞賀爾蒙 (hormone),其濃度的高低起伏變化也受到生理時鐘的調控。進一步來說,皮質醇是一種壓力賀爾蒙,在血液中的濃度會在我們即將睡醒時達到高峰讓我們清醒。關於飲用時間的建議,其背後的假說是:如果我們一起床就喝咖啡,那咖啡因影響大腦的時間也正是皮質醇濃度正高的時候,也就是你本來就比較清醒的時候。1~2小時後,當咖啡因的濃度因代謝而隨時間降低,皮質醇濃度也因正常的約日節律 (circadian rhythm)調控下降,你就會覺得剛剛飲用的咖啡好像沒甚麼用,而想攝取第二杯咖啡以抵擋因皮質醇濃度下降導致的昏沉感。因此,不適當的飲用時間可能會造成較高劑量的咖啡依賴性。雖然從生理時鐘的角度出發來看這個假說似乎是有道理的,但必須注意,這派說法來自一位在2013年攻讀健康科學的博士生(註5),是根據這位博士生對生理時鐘與皮質醇濃度的了解以及他對咖啡的認識而提出的假說,並沒有真正的實驗數據去探討這個假說的真偽。

備註:

  1. 可延伸閱讀泛科學 為何咖啡要合成咖啡因?讓咖啡的基因體告訴你
  2. 戒斷症狀: 指在中斷或停止使用癮性物質後所產生的生理或心理的改變
  3. 泛科學 喝杯咖啡,遠離糖尿病咖啡一天不超過 3~4杯最健康
  4. 泛科學 咖啡因的利與弊孩子喝的是能量,還是糖份跟咖啡因?
  5. The best time for your coffee

參考文獻

  • K. Ker, L. M. Edwards Pj Fau – Felix, K. Felix Lm Fau – Blackhall, I. Blackhall K Fau – Roberts, I. Roberts, Caffeine for the prevention of injuries and errors in shift workers.
  • S. Narishige et al., Effects of caffeine on circadian phase, amplitude and period evaluated in cells in vitro and peripheral organs in vivo in PER2::LUCIFERASE mice.
  • T. Roehrs, T. Roth, Caffeine: Sleep and daytime sleepiness. Sleep Medicine Reviews 12, 153-162 (2008).

【作者介紹】
王輝斌, 台灣大學動物科學技術學系畢業,目前就讀於加州大學洛杉磯分校 (UCLA),攻讀生理學碩士。 大學期間,因參與國科會大專生研究計畫而接觸季節性繁殖的山羊, 並對環境中因時間而改變的光照時間 對生物體所產生的影響有了初步的認識和興趣。在研究所期間 加入了生理時鐘研究室,並被生理時鐘與日常生活的密不可分深深吸引,積極參與生理時鐘在生理代謝、生殖系統、自閉症、神經退化疾病的研究,希望將來能透過這方面的知識和專長,讓更多人認識光汙染和作息不正常所帶來的危害。目標是透過這個身體內預設的時間系統,,加強個人的健康維護與藥物利用,也希望能夠認識其他領域的朋友,,透過跨領域合作的方式讓生理時鐘這個領域在台灣受到重視。

關於作者

王輝斌

台灣大學動物科學技術學系畢業, 目前就讀於加州大學洛杉磯分校 (UCLA),攻讀生理學碩士, 研究領域是生理時鐘和神經科學, 希望能分享一些科普知識讓大家注意這好玩的時鐘。目標是透過這個身體內預設的時間系統, 加強個人的健康維護與藥物利用, 也希望能夠認識其他領域的朋友, 透過跨領域合作的方式, 讓生理時鐘這個領域在台灣受到重視。