Metabolizm ksenobiotyczny odnosi się do różnych reakcji chemicznych, zwanych szlakami metabolicznymi, które żywy organizm wykorzystuje do zmiany substancji chemicznych, które normalnie nie występują w organizmie w ramach jego naturalnej biochemii. Te chemikalia, zwane ksenobiotykami, mogą obejmować trucizny, leki i zanieczyszczenia środowiska. Metabolizm ksenobiotyczny jest ważny dla życia, ponieważ pozwala organizmowi na neutralizację i eliminację obcych toksyn, które w przeciwnym razie zakłóciłyby procesy chemiczne utrzymujące go przy życiu. Metabolizm ksenobiotyczny ludzi i wielu innych form życia jest ważny w dziedzinach takich jak medycyna, rolnictwo i nauki o środowisku.
Błony komórek zapobiegają uszkodzeniom wielu potencjalnie szkodliwych substancji, które regulują, które substancje chemiczne mogą dostać się do komórki i fizycznie blokują wiele ksenobiotyków. Cząsteczki polarne, które mają dipole elektryczne, ponieważ ich elektrony nie są równomiernie rozłożone między atomami cząsteczki, na ogół nie są w stanie przedostać się przez błonę komórki. Jednak cząsteczki niepolarne mogą przenikać przez przepuszczalną błonę do komórki. Metabolizm ksenobiotyków chroni organizm przed tymi substancjami za pomocą enzymów, które będą reagować z większością związków niepolarnych. Ta specjalizacja uniemożliwia im atakowanie pomocnych substancji wchodzących w skład normalnej biochemii organizmu, które są związkami polarnymi zdolnymi do dyfuzji przez błony komórkowe za pomocą białek transportowych.
W pierwszym etapie metabolizmu ksenobiotyków obca substancja jest modyfikowana poprzez reakcje chemiczne, które dodają do jej cząsteczek grupy polarne lub reaktywne. Najczęściej odbywa się to za pomocą enzymów, które katalizują reakcje monooksygenazy z cząsteczkami tlenu lub O2 i wodorem, dodając jeden atom tlenu z O2 do cząsteczki ksenobiotycznej i wytwarzając cząsteczkę wody jako produkt uboczny. Najważniejszą grupą białek biorących udział w tym etapie jest rodzina cytochromów P450, która obejmuje ponad 11,500 XNUMX różnych białek i jest obecna we wszystkich formach życia na Ziemi.
Zmodyfikowany ksenobiotyk jest następnie detoksykowany poprzez reakcje z innymi cząsteczkami, łącząc się z nimi, tworząc cząsteczki zwane koniugatami ksenobiotyków. Substancje chemiczne powszechnie stosowane w tej fazie to glicyna (C2H5NO2), glutation (C10H17N3O6S) i kwas glukuronowy (C6H10O7). Cząsteczki te są anionowe, co oznacza, że zawierają więcej elektronów niż protonów, a więc mają ujemny ładunek elektryczny. W zależności od użytej substancji powstałe koniugaty mogą ulegać dalszym reakcjom chemicznym w trakcie detoksykacji.
Na koniec koniugat jest wydalany z komórki. Jego ujemnie naładowane grupy anionowe pozwalają mu wiązać się z cząsteczkami transportera białka, które przenoszą koniugat przez błonę komórkową i poza komórkę. Stamtąd ksenobiotyk może być dalej metabolizowany przez biochemikalia pozakomórkowe lub całkowicie wydalany z organizmu wraz z potem, moczem lub kałem.
Z biegiem czasu ksenobiotyczny metabolizm kolejnych pokoleń organizmów może ewoluować, aby zapewnić większą ochronę przed substancjami, które prawdopodobnie napotkają w swoim środowisku, ponieważ członkowie gatunku najlepiej sobie z nimi radzili, przeżyli i prześcigali się w stosunku do innych. Pozwala to wielu formom życia żyć w środowisku lub bezpiecznie spożywać żywność, która byłaby śmiertelna dla innych gatunków. To z kolei może pobudzić ewolucję gatunków, które wytwarzają toksyny do celów łowieckich lub obronnych, tworząc presję selekcyjną, która faworyzuje organizmy najskuteczniej przezwyciężające metabolizm drapieżników lub ofiar.
Metabolizm ksenobiotyków jest ważnym czynnikiem w rolnictwie. Reakcja różnych organizmów na ksenobiotyki wpływa na wpływ chemikaliów rolniczych, takich jak pestycydy. To sprawia, że ewolucyjna adaptacja do ksenobiotyków jest poważnym problemem, ponieważ szkodniki, takie jak owadożerne rośliny uprawne, mogą wyewoluować większą odporność na pestycydy, ponieważ mniej oporni członkowie gatunku są usuwani z puli genów.
Metabolizm ksenobiotyków jest również ważny w medycynie, ponieważ większość leków to ksenobiotyki. Niektóre leki nie mają działania medycznego w postaci, która jest faktycznie podawana pacjentowi i stają się aktywne, gdy są zmieniane chemicznie przez metabolizm pacjenta, proces zwany bioaktywacją. Najczęściej odbywa się to poprzez utlenianie cząsteczek leku i zwykle dotyczy rodziny cytochromu P450. Może jednak również obejmować inne białka, takie jak hydrolaza epoksydowa, metylotransferaza i n-acetylotransferaza, które powodują zmiany chemiczne, takie jak odpowiednio hydroliza, metylacja i acetylacja. Jedną z najczęstszych przyczyn niebezpiecznych interakcji leków jest sytuacja, w której jeden lek wpływa na metabolizm pacjenta, co zakłóca zdolność organizmu do metabolizowania innego leku, pozwalając na jego akumulację w stanie nieprzetworzonym, aż osiągnie niebezpieczny poziom i zatruje pacjenta.