Metabolismul xenobiotic se referă la diferitele reacții chimice, numite căi metabolice, pe care un organism viu le folosește pentru a modifica substanțele chimice care nu se găsesc în mod normal într-un organism ca parte a biochimiei sale naturale. Aceste substanțe chimice, numite xenobiotice, pot include lucruri precum otrăvuri, medicamente și poluanți de mediu. Metabolismul xenobiotic este important pentru viață, deoarece permite unui organism să neutralizeze și să elimine toxinele străine care altfel ar interfera cu procesele chimice care îl mențin în viață. Metabolismul xenobiotic al oamenilor și al multor alte forme de viață este important în domenii precum medicina, agricultura și știința mediului.
Multe substanțe potențial dăunătoare sunt împiedicate să provoace daune prin membranele celulelor, care reglează ce substanțe chimice pot pătrunde într-o celulă și blochează fizic multe xenobiotice. Moleculele polare, care au dipoli electrici, deoarece electronii lor nu sunt împărțiți în mod egal între atomii moleculei, sunt în general incapabile să treacă de membrana unei celule. Moleculele nepolare, totuși, pot trece prin membrana permeabilă și în celulă. Metabolismul xenobiotic protejează organismul de aceste substanțe cu enzime care vor reacționa cu majoritatea compușilor nepolari. Această specializare îi împiedică să atace substanțele utile care fac parte din biochimia normală a organismului, care sunt compuși polari capabili să difuzeze prin membranele celulare cu ajutorul proteinelor de transport.
În prima etapă a metabolismului xenobiotic, substanța străină este modificată prin reacții chimice care adaugă grupări polare sau reactive moleculelor sale. Acest lucru se face cel mai frecvent cu enzime care catalizează reacțiile monooxigenazei cu molecule de oxigen, sau O2, și hidrogen, adăugând un atom de oxigen din O2 la molecula xenobiotică și producând o moleculă de apă ca produs secundar. Cel mai proeminent grup de proteine implicate în această etapă este familia citocromului P450, care cuprinde peste 11,500 de proteine diferite și este prezentă în toate formele de viață de pe Pământ.
Xenobioticul modificat este apoi detoxificat prin reacții cu alte molecule, combinându-se cu acestea pentru a forma molecule numite conjugate xenobiotice. Substanțele chimice utilizate în mod obișnuit în această fază includ glicina (C2H5NO2), glutationul (C10H17N3O6S) și acidul glucuronic (C6H10O7). Aceste molecule sunt anionice, ceea ce înseamnă că conțin mai mulți electroni decât protoni și, prin urmare, au o sarcină electrică negativă. În funcție de substanța implicată, conjugatele rezultate pot suferi alte reacții chimice în cursul detoxifierii.
În cele din urmă, conjugatul este excretat din celulă. Grupările sale anionice încărcate negativ îi permit să se lege de molecule transportoare de proteine, care transportă conjugatul prin membrana celulară și în afara celulei. De acolo, xenobioticul poate fi metabolizat în continuare de substanțele biochimice extracelulare sau expulzat din organism în întregime în transpirație, urină sau fecale.
De-a lungul timpului, metabolismul xenobiotic al generațiilor următoare de organisme poate evolua pentru a oferi o protecție mai mare împotriva substanțelor pe care este probabil să le întâlnească în mediul lor, deoarece membrii speciei sunt cei mai capabili să le gestioneze supraviețuiesc și să-și depășească semenii. Acest lucru permite multor forme de viață să trăiască în medii sau să mănânce în siguranță alimente care ar fi mortale pentru alte specii. Acest lucru poate stimula, la rândul său, evoluția speciilor care produc toxine pentru vânătoare sau în scopuri defensive, creând o presiune selectivă care favorizează organismele cele mai eficiente în depășirea metabolismului prădătorilor sau prăzii lor.
Metabolismul xenobiotic este un factor important în agricultură. Reacția diferitelor organisme la xenobiotice afectează modul în care acestea vor fi afectate de substanțele chimice agricole, cum ar fi pesticidele. Acest lucru face ca adaptarea evolutivă la xenobiotice să fie o preocupare majoră, deoarece dăunătorii, cum ar fi insectele care mănâncă culturi, pot dezvolta o rezistență mai mare la pesticide, pe măsură ce membrii mai puțin rezistenți ai unei specii sunt scoși din bazinul genetic.
Metabolismul xenobiotic este, de asemenea, important în medicină, deoarece majoritatea medicamentelor sunt xenobiotice. Unele medicamente nu au efect medical sub forma care este efectiv administrată pacientului și devin active atunci când sunt modificate chimic de metabolismul pacientului, proces numit bioactivare. Acest lucru se face cel mai frecvent prin oxidarea moleculelor medicamentului și de obicei implică familia citocromului P450. Cu toate acestea, poate implica și alte proteine, cum ar fi epoxid hidrolaza, metiltransferaza și n-acetiltransferaza, care provoacă modificări chimice, cum ar fi hidroliza, metilarea și, respectiv, acetilarea. O cauză comună a interacțiunilor medicamentoase periculoase este atunci când un medicament are un efect asupra metabolismului pacientului care interferează cu capacitatea organismului de a metaboliza un alt medicament, permițând acestuia din urmă să se acumuleze neprocesat până când atinge niveluri periculoase și otrăvește pacientul.