Ksenobioottisella aineenvaihdunnalla tarkoitetaan erilaisia kemiallisia reaktioita, joita kutsutaan aineenvaihduntareiteiksi, joita elävä organismi käyttää muuttamaan kemikaaleja, joita ei normaalisti löydy organismista osana sen luonnollista biokemiaa. Nämä kemikaalit, joita kutsutaan ksenobiooteiksi, voivat sisältää esimerkiksi myrkkyjä, huumeita ja ympäristön epäpuhtauksia. Ksenobioottinen aineenvaihdunta on tärkeä elämälle, koska sen avulla organismi voi neutraloida ja poistaa vieraita toksiineja, jotka muuten häiritsisivät sitä elossa pitäviä kemiallisia prosesseja. Ihmisten ja monien muiden elämänmuotojen ksenobioottinen aineenvaihdunta on tärkeää esimerkiksi lääketieteen, maatalouden ja ympäristötieteen aloilla.
Monet mahdollisesti haitalliset aineet estävät vahingoittamasta solukalvoja, jotka säätelevät, mitkä kemikaalit saavat päästä soluun ja estävät fyysisesti monia ksenobiootteja. Polaariset molekyylit, joissa on sähköisiä dipoleja, koska niiden elektronit eivät jakaudu tasaisesti molekyylin atomien kesken, eivät yleensä pysty pääsemään solukalvon ohi. Ei -polaariset molekyylit voivat kuitenkin kulkea läpäisevän kalvon läpi ja soluun. Ksenobioottinen aineenvaihdunta suojaa kehoa näiltä aineilta entsyymeillä, jotka reagoivat useimpien ei -polaaristen yhdisteiden kanssa. Tämä erikoistuminen estää heitä hyökkäämästä hyödyllisiä aineita, jotka ovat osa organismin normaalia biokemiaa, jotka ovat polaarisia yhdisteitä, jotka kykenevät diffundoitumaan solukalvojen läpi kuljetusproteiinien avulla.
Ksenobioottisen aineenvaihdunnan ensimmäisessä vaiheessa vieras aine muuttuu kemiallisilla reaktioilla, jotka lisäävät sen molekyyleihin polaarisia tai reaktiivisia ryhmiä. Tämä tehdään yleisimmin entsyymeillä, jotka katalysoivat mono -oksigenaasireaktioita happimolekyylien tai O2: n ja vedyn kanssa, lisäämällä yksi happiatomi O2: sta ksenobioottimolekyyliin ja tuottamalla vesimolekyyli sivutuotteena. Näkyvin proteiiniryhmä tässä vaiheessa on sytokromi P450 -perhe, johon kuuluu yli 11,500 XNUMX erilaista proteiinia ja joka on läsnä kaikissa elämänmuodoissa maan päällä.
Modifioitu ksenobiootti puhdistetaan sitten reaktioilla muiden molekyylien kanssa ja yhdistetään niiden kanssa muodostaen molekyylejä, joita kutsutaan ksenobioottisiksi konjugaateiksi. Tässä vaiheessa yleisesti käytettyjä kemikaaleja ovat glysiini (C2H5NO2), glutationi (C10H17N3O6S) ja glukuronihappo (C6H10O7). Nämä molekyylit ovat anionisia, mikä tarkoittaa, että ne sisältävät enemmän elektroneja kuin protoneja ja siten niillä on negatiivinen sähkövaraus. Riippuen aineesta, saatavat konjugaatit voivat käydä läpi muita kemiallisia reaktioita vieroituksen aikana.
Lopuksi konjugaatti erittyy solusta. Sen negatiivisesti varautuneet anioniset ryhmät mahdollistavat sen sitoutumisen proteiinikuljetusmolekyyleihin, jotka kuljettavat konjugaatin solukalvon läpi ja ulos solusta. Sieltä ksenobiootti voi edelleen metaboloitua solunulkoisten biokemikaalien avulla tai karkottaa elimistöstä kokonaan hikeen, virtsaan tai ulosteeseen.
Ajan myötä seuraavien organismisukupolvien ksenobioottinen aineenvaihdunta voi kehittyä siten, että se antaa paremman suojan aineita vastaan, joita he todennäköisesti kohtaavat ympäristössään, koska lajin jäsenet kykenevät parhaiten selviytymään niistä ja elävät tovereitaan paremmin. Tämä sallii monien elämänmuotojen elää ympäristössä tai syödä turvallisesti ruokaa, joka olisi tappavaa muille lajeille. Tämä voi puolestaan edistää evoluutiota lajeissa, jotka tuottavat myrkkyjä metsästykseen tai puolustustarkoituksiin, luoden valikoivaa painetta, joka suosii organismeja, jotka tehokkaimmin voittavat saalistajien tai saaliin aineenvaihdunnan.
Ksenobioottinen aineenvaihdunta on tärkeä tekijä maataloudessa. Eri organismien reaktio ksenobiooteihin vaikuttaa siihen, miten maatalouskemikaalit, kuten torjunta -aineet, vaikuttavat niihin. Tämä tekee evoluutiosta sopeutumisen ksenobiooteihin suureksi huolenaiheeksi, koska tuholaiset, kuten satoa syövät hyönteiset, voivat kehittyä paremmin vastustuskykyisiksi torjunta-aineille, kun lajin vähemmän vastustuskykyiset jäsenet poistetaan geenivarastosta.
Ksenobioottinen aineenvaihdunta on tärkeää myös lääketieteessä, koska useimmat lääkkeet ovat ksenobiootteja. Joillakin lääkkeillä ei ole lääketieteellistä vaikutusta siinä muodossa, joka todella annetaan potilaalle, ja ne tulevat aktiivisiksi, kun ne muuttuvat kemiallisesti potilaan aineenvaihdunnassa, jota kutsutaan bioaktivoimiseksi. Tämä tehdään useimmiten hapettamalla lääkkeen molekyylejä ja yleensä siihen liittyy sytokromi P450 -perhe. Se voi kuitenkin sisältää myös muita proteiineja, kuten epoksidihydrolaasia, metyylitransferaasia ja n-asetyylitransferaasia, jotka aiheuttavat kemiallisia muutoksia, kuten hydrolyysi, metylaatio ja asetylointi. Yksi yleinen syy vaarallisille yhteisvaikutuksille on se, että yksi lääke vaikuttaa potilaan aineenvaihduntaan, mikä häiritsee elimistön kykyä metaboloida toinen lääke, jolloin jälkimmäinen voi kerääntyä käsittelemättömäksi, kunnes se saavuttaa vaaralliset tasot ja myrkyttää potilaan.