Ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός αναφέρεται στις διάφορες χημικές αντιδράσεις, που ονομάζονται μεταβολικές οδοί, που χρησιμοποιεί ένας ζωντανός οργανισμός για να αλλάξει χημικές ουσίες που δεν βρίσκονται κανονικά σε έναν οργανισμό ως μέρος της φυσικής βιοχημείας του. Αυτές οι χημικές ουσίες, που ονομάζονται ξενοβιοτικά, μπορούν να περιλαμβάνουν πράγματα όπως δηλητήρια, φάρμακα και περιβαλλοντικούς ρύπους. Ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός είναι σημαντικός για τη ζωή, καθώς επιτρέπει σε έναν οργανισμό να εξουδετερώνει και να εξαλείφει ξένες τοξίνες που αλλιώς θα παρεμβαίνουν στις χημικές διεργασίες που τον κρατούν ζωντανό. Ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός των ανθρώπων και πολλές άλλες μορφές ζωής είναι σημαντικός σε τομείς όπως η ιατρική, η γεωργία και η περιβαλλοντική επιστήμη.
Πολλές δυνητικά επιβλαβείς ουσίες εμποδίζονται να κάνουν ζημιά από τις μεμβράνες των κυττάρων, οι οποίες ρυθμίζουν ποιες χημικές ουσίες επιτρέπεται να εισέλθουν σε ένα κύτταρο και εμποδίζουν φυσικά πολλά ξενοβιοτικά. Τα πολικά μόρια, τα οποία έχουν ηλεκτρικά δίπολα επειδή τα ηλεκτρόνια τους δεν κατανέμονται ομοιόμορφα μεταξύ των ατόμων του μορίου, είναι γενικά ανίκανα να προσπεράσουν τη μεμβράνη ενός κυττάρου. Τα μη πολικά μόρια, ωστόσο, μπορούν να περάσουν μέσω της διαπερατής μεμβράνης και στο κύτταρο. Ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός προστατεύει το σώμα από αυτές τις ουσίες με ένζυμα που θα αντιδράσουν με τις περισσότερες μη πολικές ενώσεις. Αυτή η εξειδίκευση τους εμποδίζει να επιτεθούν σε χρήσιμες ουσίες που αποτελούν μέρος της φυσιολογικής βιοχημείας του οργανισμού, οι οποίες είναι πολικές ενώσεις ικανές να διαχυθούν μέσω των κυτταρικών μεμβρανών με τη βοήθεια πρωτεϊνών μεταφοράς.
Στο πρώτο στάδιο του ξενοβιοτικού μεταβολισμού, η ξένη ουσία τροποποιείται μέσω χημικών αντιδράσεων που προσθέτουν πολικές ή αντιδραστικές ομάδες στα μόριά της. Αυτό γίνεται συχνότερα με ένζυμα που καταλύουν αντιδράσεις μονοοξυγενάσης με μόρια οξυγόνου ή Ο2 και υδρογόνο, προσθέτοντας ένα άτομο οξυγόνου από το Ο2 στο ξενοβιοτικό μόριο και παράγοντας ένα μόριο νερού ως υποπροϊόν. Η πιο εξέχουσα ομάδα πρωτεϊνών που εμπλέκεται σε αυτό το στάδιο είναι η οικογένεια κυτοχρώματος P450, η οποία περιλαμβάνει περισσότερες από 11,500 διαφορετικές πρωτεΐνες και είναι παρούσα σε όλες τις μορφές ζωής στη Γη.
Το τροποποιημένο ξενοβιοτικό αποτοξινώνεται στη συνέχεια μέσω αντιδράσεων με άλλα μόρια, συνδυάζοντάς τα με αυτά για να σχηματίσουν μόρια που ονομάζονται ξενοβιοτικά συζυγή. Οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτή τη φάση περιλαμβάνουν τη γλυκίνη (C2H5NO2), τη γλουταθειόνη (C10H17N3O6S) και το γλυκουρονικό οξύ (C6H10O7). Αυτά τα μόρια είναι ανιονικά, που σημαίνει ότι περιέχουν περισσότερα ηλεκτρόνια από πρωτόνια και έτσι έχουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Ανάλογα με την εμπλεκόμενη ουσία, τα προκύπτοντα συζυγή μπορεί να υποστούν περαιτέρω χημικές αντιδράσεις κατά τη διάρκεια της αποτοξίνωσης.
Τέλος, το συζυγές αποβάλλεται από το κύτταρο. Οι αρνητικά φορτισμένες ανιονικές ομάδες του επιτρέπουν να δεσμεύεται με μόρια μεταφοράς πρωτεΐνης, τα οποία μεταφέρουν το συζυγές σε όλη την κυτταρική μεμβράνη και έξω από το κύτταρο. Από εκεί και πέρα το ξενοβιοτικό μπορεί να μεταβολιστεί περαιτέρω από εξωκυτταρικά βιοχημικά ή να αποβληθεί εξ ολοκλήρου από τον οργανισμό με ιδρώτα, ούρα ή περιττώματα.
Με την πάροδο του χρόνου, ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός των επόμενων γενεών οργανισμών μπορεί να εξελιχθεί για να δώσει μεγαλύτερη προστασία από ουσίες που είναι πιθανό να συναντήσουν στο περιβάλλον τους, καθώς τα μέλη του είδους είναι καλύτερα σε θέση να τα χειριστούν και να αναπαραγάγουν τους συναδέλφους τους. Αυτό επιτρέπει σε πολλές μορφές ζωής να ζουν σε περιβάλλοντα ή να τρώνε με ασφάλεια τρόφιμα που θα ήταν θανατηφόρα για άλλα είδη. Αυτό μπορεί με τη σειρά του να ωθήσει την εξέλιξη σε είδη που παράγουν τοξίνες για κυνήγι ή αμυντικούς σκοπούς, δημιουργώντας επιλεκτική πίεση που ευνοεί τους οργανισμούς που είναι πιο αποτελεσματικοί για να ξεπεράσουν το μεταβολισμό των αρπακτικών ή των θηραμάτων τους.
Ο ξενοβιοτικός μεταβολισμός είναι σημαντικός παράγοντας στη γεωργία. Η αντίδραση διαφόρων οργανισμών στα ξενοβιοτικά επηρεάζει το πώς θα επηρεαστούν από γεωργικές χημικές ουσίες όπως τα φυτοφάρμακα. Αυτό καθιστά την εξελικτική προσαρμογή στα ξενοβιοτικά μια σημαντική ανησυχία, καθώς παράσιτα όπως τα έντομα που τρώνε καλλιέργειες μπορούν να αναπτύξουν μεγαλύτερη αντοχή στα φυτοφάρμακα καθώς τα λιγότερο ανθεκτικά μέλη ενός είδους ξεφεύγουν από τη γονιδιακή δεξαμενή.
Ο μεταβολισμός των ξενοβιοτικών είναι επίσης σημαντικός στην ιατρική, καθώς τα περισσότερα φάρμακα είναι ξενοβιοτικά. Ορισμένα φάρμακα δεν έχουν καμία ιατρική επίδραση με τη μορφή που χορηγείται πραγματικά στον ασθενή και γίνονται ενεργά όταν μεταβάλλονται χημικά από το μεταβολισμό του ασθενούς, μια διαδικασία που ονομάζεται βιοενεργοποίηση. Αυτό γίνεται πιο συχνά με οξείδωση των μορίων του φαρμάκου και συνήθως περιλαμβάνει την οικογένεια κυτοχρώματος P450. Ωστόσο, μπορεί επίσης να περιλαμβάνει άλλες πρωτεΐνες όπως εποξειδική υδρολάση, μεθυλτρανσφεράση και η-ακετυλοτρανσφεράση, οι οποίες προκαλούν χημικές αλλαγές όπως υδρόλυση, μεθυλίωση και ακετυλίωση, αντίστοιχα. Μια κοινή αιτία επικίνδυνων φαρμακευτικών αλληλεπιδράσεων είναι όταν ένα φάρμακο έχει επίδραση στο μεταβολισμό του ασθενούς που παρεμβαίνει στην ικανότητα του σώματος να μεταβολίζει ένα άλλο φάρμακο, επιτρέποντας στο τελευταίο να συσσωρεύεται ανεπεξέργαστα έως ότου φτάσει σε επικίνδυνα επίπεδα και δηλητηριάσει τον ασθενή.