카페인이 뇌 속의 아데노신 수용체에 대신 결합하여 각성 효과를 내는 원리를 구조적 유사성 측면에서 설명해주세요.

Question

커피나 차에 들어있는 카페인은 알칼로이드의 일종입니다. 카페인이 뇌 속의 아데노신 수용체에 대신 결합하여 각성 효과를 내는 원리를 구조적 유사성 측면에서 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

카페인이 우리 몸에서 잠을 쫓고 정신을 맑게 하는 비결은 뇌 속의 수면 조절 물질인 아데노신을 완벽하게 속이는 위장 전술에 있습니다. 우리 뇌는 활동을 하면 할수록 아데노신이라는 물질이 생성되어 아데노신 수용체와 결합하게 되는데, 이 결합이 일어나면 뇌는 피로를 느끼고 잠을 자야 한다는 신호를 보냅니다.

​카페인이 각성 효과를 내는 핵심적인 이유는 바로 아데노신과 분자 구조가 매우 닮았기 때문입니다. 아데노신 분자의 핵심 구조인 이중 고리 형태의 푸린 염기는 카페인의 중심 구조와 육안으로 보아도 흡사한 형태를 띠고 있습니다. 이러한 구조적 유사성 덕분에 카페인은 아데노신 수용체의 결합 부위에 마치 제 열쇠인 것처럼 딱 맞게 들어갈 수 있습니다.

​우리가 커피를 마시면 카페인은 혈액을 타고 뇌로 이동하여 진짜 주인인 아데노신보다 먼저 수용체 자리를 차지해 버립니다. 이를 화학적으로는 경쟁적 저해라고 부릅니다. 카페인이 수용체에 대신 결합해 자리를 선점하고 있으면 정작 피로 신호를 전달해야 할 아데노신은 갈 곳을 잃게 됩니다.

​결과적으로 수용체는 카페인과 결합해도 수면 신호를 발생시키지 않기 때문에 뇌는 실제로는 피곤한 상태임에도 불구하고 피로를 인지하지 못하게 됩니다. 즉 카페인은 뇌를 직접 자극하여 에너지를 만드는 것이 아니라 피로 신호가 전달되는 통로를 구조적 유사성을 이용해 일시적으로 차단함으로써 우리가 깨어 있는 것처럼 느끼게 만드는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

카페인은 커피, 차, 카카오 등에 들어 있는 대표적인 알칼로이드 화합물입니다. 이러한 중추신경계를 자극해 졸음을 줄이고 각성 상태를 높이는 작용으로 잘 알려져 있으며, 카페인이 이런 효과를 내는 핵심 이유는 뇌 속에서 작용하는 아데노신과 분자 구조가 어느 정도 비슷하기 때문입니다. 우선 아데노신은 우리 몸이 활동하면서 에너지를 소비할수록 점차 축적되는 물질인데요, 특히 뇌에서는 활동 시간이 길어질수록 아데노신 농도가 올라갑니다. 결과적으로 아데노신이 신경세포 표면의 아데노신 수용체에 결합하면 신경 활동이 억제되고, 졸림이나 피로감을 느끼게 되며, 아데노신은 뇌에 이제 쉬어야 한다는 신호를 보내는 물질로 작용하는 것입니다.

이때 카페인은 분자 구조를 보면 질소를 포함한 고리 구조를 가지고 있는데, 공간적인 전자 분포와 분자 형태 일부가 아데노신과 비슷하게 인식될 수 있습니다. 즉 카페인이 아데노신과 완전히 같은 구조는 아니지만, 수용체가 결합 부위에서 비슷한 분자로 받아들일 만큼 구조적 특징이 일부 유사합니다. 이 때문에 카페인은 아데노신 대신 수용체 자리에 먼저 결합할 수 있는데요, 다만 카페인은 수용체에 붙을 수는 있어도, 아데노신처럼 졸음을 유도하는 신호를 활성화하지는 않습니다. 즉 자리는 차지하지만 실제 작동은 하지 않는 길항 작용을 하는 것입니다. 결과적으로 아데노신이 수용체에 결합하지 못하게 되면, 원래 나타나야 할 신경 억제 신호가 약해집니다. 따라서 뇌 신경세포의 활동성이 상대적으로 유지되고, 각성도가 올라가며 집중력이 높아진 것처럼 느끼게 되며, 간접적으로 도파민이나 노르에피네프린 같은 각성과 관련된 신경전달물질의 영향도 더 잘 나타날 수 있습니다. 감사합니다.