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[지식더하기] 카페인의 두 얼굴

10월 16일 업데이트됨

커피, 차, 초콜릿, 콜라, 심지어 카페인 음료까지 우리는 다양한 식품을 통해 카페인을 섭취하게 됩니다. 초콜릿이나 콜라처럼 의도치 않게 먹게 되는 경우도 있고, 카페인 음료나 커피처럼 카페인의 여러 효과를 얻기 위해 일부러 먹는 경우도 있습니다. 그중에서는 카페인이 몸에 좋지 않다는 것을 알지만 어쩔 수 없이 섭취하는 상황이 많을 것입니다. 이 기사에서는 카페인의 역사부터 시작해서 구조, 어떻게 작용하는지를 알아보고, 우리가 이미 알고 있는 효과와 부작용 외에도 다양한 영향들에 대해 알아보려고 합니다.


카페인의 역사

카페인 섭취의 역사는 고대부터 다양한 작물을 통해 이루어졌고, 이는 여러 문화권의 기록에서 찾아볼 수 있습니다. 중국 전설에서도 마셨을 때 회복력이 생기는 차에 대한 언급이 있고, 코코아 콩은 기원전 600년 전 마야 유물에서 발견된 것으로 보아 오래전부터 인류가 먹어왔음을 알 수 있습니다. 커피의 경우 중동 지역에서 시작되어 유럽을 거치고 전 세계로 퍼지게 되었습니다.

순수한 카페인을 분리해내려는 시도는 다양한 화학자에 의해 이루어졌고 1819년 독일 화학자 Friedlied Ferdinand Runge가 처음으로 분리에 성공했습니다. 이후에도 다른 화학자들이 카페인에 관한 여러 연구를 진행하였고, 1895년, 독일 화학자 Hermann Emil Fischer는 카페인의 합성에 성공했습니다. 2년 후에는 구조식도 도출해냈습니다. 작물에서만 얻던 카페인을 따로 합성할 수 있게 된 것입니다.


카페인(C8H10N4O2)의 구조

카페인의 IUPAC 명칭은 1,3,7-Trimethylpurine-2,6-dione으로 구조는 아래와 같습니다.

[1] 카페인의 구조

푸린(purine) 고리에 3개의 메틸기(methyl group)와 2개의 케톤(ketone)이 달려있는 구조로, 명칭의 'dione'은 케톤이 2개 있음을 의미합니다. 푸린 구조는 뒤에 나올 카페인의 효과 중 각성 효과의 주 원인이 되는 부분입니다.


효과

카페인의 가장 잘 알려져 있고 많은 사람이 이용하려는 효과는 각성 효과입니다. 실제로 카페인은 메틸 크산틴 계열의 중추신경 계통 각성제로 분류됩니다. 여기서 놀라운 점은 카페인이 향정신성 약물로 분류된다는 것인데, 다른 향정신성 약물들과 달리 카페인은 거의 전 세계에서 합법적이며 규제도 거의 없습니다.

[2] 카페인 vs 아데노신

카페인이 없는 상태에서 사람이 계속 깨어 있으면 CNS 뉴런에 아데노신이 존재합니다. 시간이 지나면 아데노신이 축적되어 CNS 뉴런에 있는 아데노신 수용체에 결합하여 활성화하게 되고 이는 졸음을 증가시키는 세포 반응을 일으키게 됩니다. 위 그림에서 볼 수 있듯이 카페인에는 아데노신의 일부와 유사한 구조를 가지고 있는데 카페인을 섭취하면 아데노신 수용체에 카페인이 길항 작용을 일으켜 아데노신이 수용체에 결합하는 것을 방해합니다. 따라서 카페인은 졸음을 일시적으로 막거나 완화하여 각성 효과를 일으킵니다.

흔히 사람들이 시험을 앞두고 카페인을 섭취하는 것은 앞서 말한 각성 효과를 통해 잠을 줄여가며 공부하기 위해서입니다. 그런데 시험 기간의 카페인은 다른 효과를 통해 공부에 도움을 주기도 합니다. 미국 존스홉킨스대 정신 및 뇌과학과 마이클 야사 교수팀이 네이처 신경과학지에 발표한 논문에 따르면 공부를 한 뒤 카페인을 섭취하면 기억력을 향상할 수 있다고 합니다. 평소에 카페인이 든 음료를 마시지 않는 사람들을 대상으로 진행된 이 연구는 여러 장의 그림 카드를 보고 기억하는 방식으로 진행되었는데, 그림 카드 기억과 테스트를 거친 후 한 그룹에는 카페인 200mg(블랙커피 한 잔에 든 양)이 든 알약을, 다른 그룹에는 가짜 알약을 주고 24시간 후 같은 테스트를 진행했습니다. 그 결과, 카페인이 든 알약을 먹은 그룹이 다른 그룹보다 그림 카드를 기억하는 테스트에서 더 높은 점수를 받았습니다.


이 외에도 카페인이 파킨슨병의 증상을 완화하거나 치매를 예방하는 효과가 있으며, 운동 효과도 높일 수 있다는 다양한 연구 결과가 발표되어 있습니다. 카페인은 기관지 형성 장애로 인한 미숙아 무호흡, 미숙아 호흡 장애 등의 치료에도 쓰이며, 카페인 구연산염은 WHO의 필수 의약품 목록에도 존재합니다.


부작용

카페인의 여러 장점과 효과에도 불구하고 무시할 수 없는 부작용은 여럿 존재합니다. 가장 대표적인 부작용으로는 각성 효과에 의한 수면 장애 문제입니다. 카페인을 섭취하고 몇 번 밤을 샜다가 수면 패턴이 무너지거나, 늦은 시간에 카페인이 포함된 음식을 먹고 잠에 들지 못하는 경우가 대표적입니다. 또한 과도한 카페인 섭취는 심박 수 증가, 메스꺼움, 위산 과다를 유발하고, 카페인이 칼슘을 몸 밖으로 내보내는 작용을 하기 때문에 골다공증 등의 질환이 생길 위험도 높아집니다. 심장박동 장애, 발작, 신장기능 장애 등의 부작용도 보고된 바가 있다고 합니다.

[4] 카페인의 부작용

이러한 카페인의 부작용을 피하기 위해 일부 사람들은 디카페인 커피를 선택하기도 하는데, 디카페인 커피에 들어가는 카페인의 양은 일반 커피에 포함된 양보다는 적지만, 전혀 카페인이 들어있지 않은 것은 아닙니다. 제품마다 다를 수 있지만, 대략 5~10잔의 디카페인 커피에는 1~2잔의 일반 커피에 들어간 정도의 카페인이 들어있습니다.


어쩔 수 없이 카페인의 효과를 이용해야만 하는 사람들도 있을 것이고, 본인이 좋아하는 음식의 카페인 함량이 우연히 높을 수도 있을 것입니다. 적당한 양의 카페인 섭취는 여러 긍정적인 효과를 불러올 수 있지만, 아무리 좋은 음식도 과하면 독이 됩니다. 카페인 섭취 권장량(하루 400mg 이하, 청소년의 경우 체중 1kg당 2.5mg 이하)를 참고하여 현명하게 먹는다면 부작용도 피하고 카페인의 효능도 잘 누릴 수 있습니다.


원하던 케미 2019 여름호


작성자: 18-112 최우정

분야: 유기화학


참고문헌

[1] 동아사이언스 - 공부 끝나면 커피 마셔!

http://dongascience.donga.com/news.php?idx=3579

[2] Post-study caffeine administration enhances memory consolidation in humans, 2014 Nature Neuroscience

[3] Caffeine

https://en.wikipedia.org/wiki/Caffeine

[4] 카페인의 과다 섭취가 부르는 부작용 - 대한민국 정책브리핑

http://www.korea.kr/news/healthView.do?newsId=148803922


이미지

[커버]https://www.livescience.com/55479-does-caffeine-cause-dehydration.html

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Caffeine

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Caffeine

[3] https://pixabay.com/ko/photos/%EC%BB%A4%ED%94%BC-%ED%95%99%EA%B5%90-%EC%88%99%EC%A0%9C-%EC%BB%A4%ED%94%BC%EC%88%8D-2351436/

[4]http://www.korea.kr/news/healthView.do?newsId=148803922

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