Ksenobiootiline metabolism viitab mitmesugustele keemilistele reaktsioonidele, mida nimetatakse metaboolseteks radadeks ja mida elusorganism kasutab kemikaalide muutmiseks, mida organismis tavaliselt ei leidu, osana selle looduslikust biokeemiast. Need kemikaalid, mida nimetatakse ksenobiootikumideks, võivad sisaldada selliseid asju nagu mürgid, ravimid ja keskkonnasaasteained. Ksenobiootiline ainevahetus on eluks oluline, kuna see võimaldab organismil neutraliseerida ja kõrvaldada võõrtoksiine, mis muidu häiriksid teda elus hoidvaid keemilisi protsesse. Inimeste ja paljude teiste eluvormide ksenobiootiline ainevahetus on oluline sellistes valdkondades nagu meditsiin, põllumajandus ja keskkonnateadus.
Paljude potentsiaalselt kahjulike ainete kahjustamist takistavad rakumembraanid, mis reguleerivad, millistel kemikaalidel on lubatud rakku siseneda, ja blokeerivad füüsiliselt paljud ksenobiootikumid. Polaarmolekulid, millel on elektrilised dipoolid, kuna nende elektronid ei jaotu molekuli aatomite vahel ühtlaselt, ei suuda üldiselt rakumembraanist mööda pääseda. Mittepolaarsed molekulid võivad aga läbida läbilaskva membraani rakku. Ksenobiootiline ainevahetus kaitseb keha nende ainete eest ensüümidega, mis reageerivad enamiku mittepolaarsete ühenditega. See spetsialiseerumine takistab neil rünnata kasulikke aineid, mis on osa organismi normaalsest biokeemiast, mis on polaarsed ühendid, mis on võimelised transportvalkude abil difundeeruma läbi rakumembraanide.
Ksenobiootilise metabolismi esimeses etapis muudetakse võõrainet keemiliste reaktsioonide kaudu, mis lisavad selle molekulidele polaarseid või reaktiivseid rühmi. Seda tehakse kõige sagedamini ensüümidega, mis katalüüsivad monooksügenaasi reaktsioone hapniku molekulide ehk O2 ja vesinikuga, lisades ksenobiootilisele molekulile ühe hapnikuaatomi O2-st ja tekitades kõrvalsaadusena molekuli vett. Kõige silmapaistvam selles etapis osalev valkude rühm on tsütokroom P450 perekond, mis hõlmab enam kui 11,500 XNUMX erinevat valku ja esineb kõigis eluvormides Maal.
Modifitseeritud ksenobiootikum detoksifitseeritakse seejärel reaktsioonide kaudu teiste molekulidega, ühinedes nendega, moodustades molekulid, mida nimetatakse ksenobiootilisteks konjugaatideks. Selles faasis tavaliselt kasutatavad kemikaalid hõlmavad glütsiini (C2H5NO2), glutatiooni (C10H17N3O6S) ja glükuroonhapet (C6H10O7). Need molekulid on anioonsed, mis tähendab, et need sisaldavad rohkem elektrone kui prootonid ja seega on neil negatiivne elektrilaeng. Sõltuvalt kasutatavast ainest võivad tekkivad konjugaadid detoksikatsiooni käigus läbida täiendavaid keemilisi reaktsioone.
Lõpuks eritub konjugaat rakust. Selle negatiivselt laetud anioonsed rühmad võimaldavad sellel seostuda valgu transportermolekulidega, mis kannavad konjugaati läbi rakumembraani ja rakust välja. Sealt võib ksenobiootikumi edasi metaboliseerida ekstratsellulaarsete biokemikaalide abil või väljutada organismist täielikult higi, uriini või väljaheitega.
Aja jooksul võib järgmiste põlvkondade organismide ksenobiootiline metabolism areneda, et pakkuda suuremat kaitset ainete eest, millega nad oma keskkonnas tõenäoliselt kokku puutuvad, kuna nende liigi esindajad, kes suudavad nendega kõige paremini toime tulla, elavad kauem kui oma kaaslasi. See võimaldab paljudel eluvormidel elada keskkonnas või süüa ohutult toitu, mis oleks teistele liikidele surmav. See võib omakorda ergutada nende liikide arengut, mis toodavad jahi- või kaitseotstarbel toksiine, tekitades selektiivset survet, mis soodustab organisme, kes saavad kõige tõhusamalt üle oma kiskjate või saaklooma ainevahetusest.
Ksenobiootiline ainevahetus on põllumajanduses oluline tegur. Erinevate organismide reaktsioon ksenobiootikumidele mõjutab seda, kuidas põllumajanduskemikaalid, näiteks pestitsiidid, neid mõjutavad. See muudab evolutsioonilise kohanemise ksenobiootikumidega suureks probleemiks, kuna kahjurid, nagu põllukultuure söövad putukad, võivad tekitada pestitsiidide suhtes suuremat resistentsust, kuna liigi vähem resistentsed liikmed tõrjutakse genofondist välja.
Ksenobiootiline ainevahetus on oluline ka meditsiinis, kuna enamik ravimeid on ksenobiootikumid. Mõnedel ravimitel puudub meditsiiniline toime sellisel kujul, mida patsiendile tegelikult manustatakse, ja need muutuvad aktiivseks siis, kui patsiendi ainevahetus neid keemiliselt muudab – seda protsessi nimetatakse bioaktivatsiooniks. Seda tehakse kõige sagedamini ravimi molekulide oksüdeerimise teel ja see hõlmab tavaliselt tsütokroom P450 perekonda. Kuid see võib hõlmata ka teisi valke, nagu epoksiidhüdrolaas, metüültransferaas ja n-atsetüültransferaas, mis põhjustavad keemilisi muutusi, nagu vastavalt hüdrolüüs, metüülimine ja atsetüülimine. Üks levinud ohtlike ravimite koostoimete põhjus on see, kui ühel ravimil on mõju patsiendi ainevahetusele, mis häirib organismi võimet metaboliseerida teist ravimit, võimaldades viimasel koguneda töötlemata kujul, kuni see jõuab ohtliku tasemeni ja mürgitab patsienti.