生物学家Neal J. Smatresk——德克萨斯大学阿灵顿分校理学院院长——提供了以下解释
咖啡因。 该分子是由黄嘌呤和一个甲基结合形成的。这里，红色球是氧原子；蓝色，氮；白色，氢；绿色，碳。 |
咖啡因——这种使咖啡和可乐提神的药物——具有许多生理效应。在细胞层面，咖啡因阻断了一种名为磷酸二酯酶 (PDE) 的化学物质的作用。在细胞内部，PDE 通常会分解第二信使化学物质环磷酸腺苷 (cAMP)。许多激素和神经递质无法穿过细胞膜，因此它们通过第二信使间接地发挥作用；当它们与细胞表面的受体结合时，就会启动称为酶级联的化学链式反应，从而形成第二信使化学物质。
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从历史上看，cAMP 是第一个被描述的第二信使。然而，现在科学家已经确定了几类主要的第二信使，它们通常通过一组称为 G 蛋白的分子以类似的方式形成。这种复杂系统的优势在于，细胞外信号可以在该过程中被大大放大，从而产生巨大的细胞内效应。
因此，当咖啡因阻止 cAMP 的分解时，其作用会延长，并且全身的反应会被有效放大。在心脏中，这种反应会促使去甲肾上腺素（也称为去甲肾上腺素）和相关的神经递质肾上腺素增加肌肉收缩的速率和力量。尽管两者协同作用，但去甲肾上腺素是由心脏起搏器组织附近的交感神经释放的，而肾上腺素主要由肾上腺释放。这些化学信息导致“战斗或逃跑”行为。在压力或紧急情况下，它们会提高心脏的速率和力量，从而增加血压并向大脑和其他组织输送更多氧气。
预计咖啡因会对任何使用这些神经递质来调节心跳的动物产生这种影响。一般来说，咖啡因的作用在鸟类和哺乳动物中最明显。爬行动物有一些反应，而较低等的脊椎动物和无脊椎动物的反应相当小或没有反应。从进化角度来看，鱼类和两栖动物对肾上腺素和去甲肾上腺素的反应不如高等脊椎动物那么强烈，而且它们缺乏对心脏的充分发育的交感神经（即刺激性）神经支配。