カフェイン (caffeine) はアルカロイドの一種。プリン環を持つプリンアルカロイドの一種で、コーヒー類に含まれることからこの名がある。また、安息香酸ナトリウムカフェイン剤などの強心・医療用覚せい剤（中枢神経刺激薬）としても使われる。IUPAC名は 1,3,7-トリメチルキサンチン。さらに、抗がん剤が破壊したがん細胞のＤＮＡの修復を阻害する作用あるとされる（抗がん剤などの効果を高める）。
コーヒー、コーラ、緑茶、紅茶、ウーロン茶、ココア、チョコレート、栄養ドリンクなどに含まれる。また、一部の医薬品にも含まれる。結晶は一水和物 (C8H10N4O2・H2O) もしくは無水物（無水カフェイン、C8H10N4O2）として得られる。白色の針状または六角柱状結晶で匂いはなく、味は苦い。昇華性がある。
1819年（一説には1820年）にドイツのフリードリヒ・ルンゲによってコーヒーから単離された。分析化学者であったルンゲに、コーヒーの薬理活性成分の分離を勧めたのはゲーテであったと伝えられている。
主な作用は覚醒作用、脳細動脈収縮作用、利尿作用。医薬品にも使われ、眠気、倦怠感に効果があるが、副作用として不眠、めまいがあらわれることもある。カフェインを習慣的に摂取する人が半日から1日カフェインを摂取しなかった時に現れる症状として最も顕著であるのは頭痛であり、その他、不安、疲労感、集中力の欠如、抑うつが現れることがある
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カフェインはアデノシン受容体に拮抗することによって、覚醒作用を示す。また、メチルキサンチン誘導体に共通の活性として、ホスホジエステラーゼの非選択的な阻害作用があり、細胞内cAMP濃度の上昇を引き起こす。これにより、心筋収縮力の増大、気管支平滑筋の弛緩、脳細動脈の収縮のような交感神経興奮様作用を示す。これらの作用の結果、腎血管拡張により糸球体ろ過量(GFR)が増大し、さらに尿細管での水分の再吸収の抑制により利尿作用を現わす。また膀胱括約筋に取り付いてその作用を抑制しているアデノシンの働きをカフェインが妨害するために頻尿になるという説もある。さらに、cAMPの濃度の増大は胃酸を産生する細胞では、プロトンポンプを活性化し、胃酸分泌を亢進する。
若干の依存性も持つが、その場合も害はわずかなものであって、1日に1?2杯飲む程度であれば健康への影響は無視できるほどである。なおカフェインの半数致死量 (LD50) は約 200 mg/kg で、一般的な成人の場合、10?12 g 以上が危険とされる（詳しくはカフェイン中毒を参照）。医療分野において薬事法では１回（１錠・１抱等）あたりに500mg以上のカフェインを含むものを劇薬に指定している。