Ksenobiotinis metabolizmas reiškia įvairias chemines reakcijas, vadinamas medžiagų apykaitos keliais, kurias gyvas organizmas naudoja, kad pakeistų chemines medžiagas, kurių organizme paprastai nerandama kaip natūralios biochemijos dalį. Šios cheminės medžiagos, vadinamos ksenobiotikais, gali apimti tokius dalykus kaip nuodai, vaistai ir aplinkos teršalai. Ksenobiotinė medžiagų apykaita yra svarbi gyvybei, nes leidžia organizmui neutralizuoti ir pašalinti pašalinius toksinus, kurie kitu atveju trukdytų cheminiams procesams, palaikantiems jį gyvą. Žmonių ir daugelio kitų gyvybės formų ksenobiotinė metabolizmas yra svarbus tokiose srityse kaip medicina, žemės ūkis ir aplinkos mokslas.
Daugeliui potencialiai kenksmingų medžiagų pakenkti neleidžia ląstelių membranos, kurios reguliuoja, kurioms cheminėms medžiagoms leidžiama patekti į ląstelę, ir fiziškai blokuoja daugelį ksenobiotikų. Poliarinės molekulės, turinčios elektrinius dipolius, nes jų elektronai nėra tolygiai pasiskirstę tarp molekulės atomų, paprastai negali prasiskverbti pro ląstelės membraną. Tačiau nepolinės molekulės gali prasiskverbti pro pralaidžią membraną ir patekti į ląstelę. Ksenobiotinis metabolizmas apsaugo organizmą nuo šių medžiagų fermentais, kurie reaguos su dauguma nepolinių junginių. Ši specializacija neleidžia jiems atakuoti naudingų medžiagų, kurios yra normalios organizmo biochemijos dalis, o tai yra poliniai junginiai, galintys pernešamų baltymų pagalba difunduoti per ląstelių membranas.
Pirmajame ksenobiotinio metabolizmo etape pašalinė medžiaga modifikuojama per chemines reakcijas, kurios prideda prie jos molekulių polinių arba reaktyvių grupių. Tai dažniausiai daroma naudojant fermentus, kurie katalizuoja monooksigenazės reakcijas su deguonies molekulėmis arba O2 ir vandeniliu, pridedant vieną deguonies atomą iš O2 į ksenobiotinę molekulę ir kaip šalutinį produktą gaminant vandens molekulę. Ryškiausia šiame etape dalyvaujančių baltymų grupė yra citochromo P450 šeima, kuri apima daugiau nei 11,500 XNUMX skirtingų baltymų ir yra visose gyvybės formose Žemėje.
Tada modifikuotas ksenobiotikas detoksikuojamas per reakcijas su kitomis molekulėmis, sujungiant su jomis ir susidaro molekulės, vadinamos ksenobiotiniais konjugatais. Šioje fazėje dažniausiai naudojamos cheminės medžiagos yra glicinas (C2H5NO2), glutationas (C10H17N3O6S) ir gliukurono rūgštis (C6H10O7). Šios molekulės yra anijoninės, tai reiškia, kad jose yra daugiau elektronų nei protonų, todėl jos turi neigiamą elektros krūvį. Priklausomai nuo naudojamos medžiagos, detoksikacijos metu susidarę konjugatai gali patirti tolesnių cheminių reakcijų.
Galiausiai konjugatas pašalinamas iš ląstelės. Jo neigiamai įkrautos anijoninės grupės leidžia jungtis su baltymų pernešėjų molekulėmis, kurios perneša konjugatą per ląstelės membraną ir išneša iš ląstelės. Iš ten ksenobiotikas gali būti toliau metabolizuojamas tarpląstelinių biocheminių medžiagų arba visiškai pašalintas iš organizmo su prakaitu, šlapimu ar išmatomis.
Laikui bėgant, vėlesnių organizmų kartų ksenobiotinis metabolizmas gali vystytis, kad būtų užtikrinta didesnė apsauga nuo medžiagų, su kuriomis jie gali susidurti savo aplinkoje, nes geriausiai su jomis susidoroti galinčios rūšies nariai išgyvena ir išveisėja savo draugus. Tai leidžia daugeliui gyvybės formų gyventi aplinkoje arba saugiai valgyti maistą, kuris būtų mirtinas kitoms rūšims. Tai savo ruožtu gali paskatinti rūšių, kurios gamina toksinus medžioklės ar gynybos tikslais, evoliuciją, sukurdamos selektyvų spaudimą, palankesnį organizmams, kurie efektyviausiai įveikia savo plėšrūnų ar grobio metabolizmą.
Ksenobiotinis metabolizmas yra svarbus veiksnys žemės ūkyje. Įvairių organizmų reakcija į ksenobiotikus turi įtakos tai, kaip juos paveiks žemės ūkio cheminės medžiagos, tokios kaip pesticidai. Dėl to evoliucinis prisitaikymas prie ksenobiotikų kelia didelį susirūpinimą, nes kenkėjai, tokie kaip pasėlius mintantys vabzdžiai, gali išaugti atsparesniam pesticidams, nes mažiau atsparūs rūšies nariai yra pašalinami iš genofondo.
Ksenobiotinė apykaita taip pat svarbi medicinoje, nes dauguma vaistų yra ksenobiotikai. Kai kurie vaistai neturi medicininio poveikio tokia forma, kokia iš tikrųjų yra skiriama pacientui, ir suaktyvėja, kai juos chemiškai pakeičia paciento metabolizmas – procesas vadinamas bioaktyvacija. Tai dažniausiai atliekama oksiduojant vaisto molekules ir dažniausiai dalyvauja citochromo P450 šeima. Tačiau jis taip pat gali apimti kitus baltymus, tokius kaip epoksido hidrolazė, metiltransferazė ir n-acetiltransferazė, kurie sukelia cheminius pokyčius, tokius kaip atitinkamai hidrolizė, metilinimas ir acetilinimas. Viena dažniausių pavojingų vaistų sąveikos priežasčių yra tada, kai vienas vaistas turi tokį poveikį paciento metabolizmui, kuris sutrikdo organizmo gebėjimą metabolizuoti kitą vaistą, todėl pastarasis kaupiasi neapdorotas, kol pasiekia pavojingą lygį ir nuodija pacientą.