Metabolizam ksenobiotika odnosi se na različite kemijske reakcije, zvane metabolički putovi, koje živi organizam koristi za promjenu kemikalija koje se inače ne nalaze u organizmu kao dio njegove prirodne biokemije. Te kemikalije, zvane ksenobiotici, mogu uključivati stvari kao što su otrovi, lijekovi i zagađivači okoliša. Metabolizam ksenobiotika važan je za život, jer omogućuje organizmu da neutralizira i eliminira strane toksine koji bi inače ometali kemijske procese koji ga održavaju na životu. Ksenobiotski metabolizam ljudi i mnogih drugih oblika života važan je u područjima kao što su medicina, poljoprivreda i znanost o okolišu.
Mnogim potencijalno štetnim tvarima membrane stanica sprječavaju nanošenje štete, koje reguliraju kojim kemikalijama je dopušteno ući u stanicu i fizički blokirati mnoge ksenobiotike. Polarne molekule, koje imaju električne dipole jer njihovi elektroni nisu ravnomjerno raspoređeni među atomima molekule, općenito nisu u stanju proći staničnu membranu. Međutim, nepolarne molekule mogu proći kroz propusnu membranu i ući u stanicu. Metabolizam ksenobiotika štiti tijelo od ovih tvari enzimima koji će reagirati s većinom nepolarnih spojeva. Ova specijalizacija ih sprječava da napadaju korisne tvari koje su dio normalne biokemije organizma, a to su polarni spojevi koji mogu difundirati kroz stanične membrane uz pomoć transportnih proteina.
U prvoj fazi ksenobiotskog metabolizma, strana tvar se modificira kemijskim reakcijama koje dodaju polarne ili reaktivne skupine njezinim molekulama. To se najčešće radi s enzimima koji kataliziraju monooksigenazne reakcije s molekulama kisika, ili O2, i vodikom, dodajući jedan atom kisika iz O2 ksenobiotskoj molekuli i proizvodeći molekulu vode kao nusprodukt. Najistaknutija skupina proteina uključenih u ovu fazu je obitelj citokroma P450, koja obuhvaća više od 11,500 XNUMX različitih proteina i prisutna je u svim oblicima života na Zemlji.
Modificirani ksenobiotik se zatim detoksificira reakcijama s drugim molekulama, kombinirajući se s njima u molekule koje se nazivaju ksenobiotički konjugati. Kemikalije koje se obično koriste u ovoj fazi uključuju glicin (C2H5NO2), glutation (C10H17N3O6S) i glukuronsku kiselinu (C6H10O7). Te su molekule anionske, što znači da sadrže više elektrona nego protona i stoga imaju negativan električni naboj. Ovisno o uključenoj tvari, dobiveni konjugati mogu podvrgnuti daljnjim kemijskim reakcijama tijekom detoksikacije.
Konačno, konjugat se izlučuje iz stanice. Njegove negativno nabijene anionske skupine omogućuju mu da se veže s molekulama prijenosnika proteina, koje prenose konjugat kroz staničnu membranu i izvan stanice. Odatle se ksenobiotik može dalje metabolizirati izvanstaničnim biokemikalijama ili u potpunosti izbaciti iz tijela u znoju, urinu ili izmetu.
S vremenom se ksenobiotski metabolizam sljedećih generacija organizama može razviti kako bi pružio veću zaštitu od tvari s kojima će se vjerojatno susresti u svom okolišu, budući da su pripadnici vrste najbolje sposobni nositi se s njima nadživjeli i nadmašili svoje kolege. To omogućuje mnogim oblicima života da žive u okruženju ili sigurno jedu hranu koja bi bila smrtonosna za druge vrste. To zauzvrat može potaknuti evoluciju vrsta koje proizvode toksine za lov ili obrambene svrhe, stvarajući selektivni pritisak koji pogoduje organizmima koji su najučinkovitiji u prevladavanju metabolizma njihovih grabežljivaca ili plijena.
Metabolizam ksenobiotika važan je čimbenik u poljoprivredi. Reakcija različitih organizama na ksenobiotike utječe na to kako će na njih utjecati poljoprivredne kemikalije kao što su pesticidi. To čini evolucijsku prilagodbu na ksenobiotike glavnim problemom, jer štetnici poput insekata koji jedu usjeve mogu razviti veću otpornost na pesticide jer se manje otporni članovi vrste izbacuju iz genskog fonda.
Metabolizam ksenobiotika također je važan u medicini, budući da su većina lijekova ksenobiotici. Neki lijekovi nemaju medicinski učinak u obliku koji se stvarno daje pacijentu i postaju aktivni kada se kemijski izmijene pacijentovim metabolizmom, procesom koji se naziva bioaktivacija. To se najčešće radi oksidacijom molekula lijeka i obično uključuje obitelj citokroma P450. Međutim, može uključivati i druge proteine kao što su epoksid hidrolaza, metiltransferaza i n-acetiltransferaza, koje uzrokuju kemijske promjene kao što su hidroliza, metilacija i acetilacija. Jedan od čestih uzroka opasnih interakcija lijekova je kada jedan lijek utječe na metabolizam pacijenta koji ometa sposobnost tijela da metabolizira drugi lijek, dopuštajući potonjem da se akumulira neprerađen dok ne dosegne opasne razine i otruje pacijenta.