Kafein beynin kimyasal özelliklerini değiştirici etkiye sahiptir. Vücuda alınan kafein beynin uykuyla ilgili kısmını engelleyerek uyanıklık hissinin devamını sağlar.
Uyku sırasında adenozin molekülleri adenozin reseptörleri ile bağlanır. Adenozinlerin bağlanmasıyla sinir hücrelerinin aktivitesi yavaşlar ve kişiye uyuşukluk hissi verir. Bu bağlanma kan damarlarının genişlemesine yol açar. Bu sayede uyku sırasında daha çok oksijenin damarlardan geçmesi sağlanır. Adenozin günlük aktiviteler ile üretilir. Bir sinir hücresinde kafein adenozin reseptörlerine bağlanarak adenozin görevi görür. Ancak adenozin gibi hücre faaliyetlerini yavaşlatma özelliğine sahip değildir. Artık hücreler adenozini algılayamaz çünkü kafein adenozin reseptörlerini kontrolüne alır. Yani adenozin seviyesi yüzünden yavaşlama yerine, hücre aktivitesi hızlanır.
Aynı zamanda kafein beyindeki kan damarlarının büzülmesine yol açar çünkü damarların genişlemesi için gerekli olan adenozin hücreler tarafından algılanamaz. Kafeinin adenozin algılanışını engellemesiyle birlikte beyindeki nöron ateşleme artar. Hipofiz bezi adenozin eksikliğini bir tür acil durum gibi algılar ve böbreküstü bezlerine adrenalin üretme sinyali gönderir.