O metabolismo xenobiótico refere-se às várias reações químicas, chamadas vias metabólicas, que um organismo vivo usa para alterar produtos químicos que normalmente não são encontrados em um organismo como parte de sua bioquímica natural. Esses produtos químicos, chamados xenobióticos, podem incluir coisas como venenos, drogas e poluentes ambientais. O metabolismo xenobiótico é importante para a vida, pois permite que um organismo neutralize e elimine toxinas estranhas que, de outra forma, interfeririam nos processos químicos que o mantêm vivo. O metabolismo xenobiótico dos seres humanos e muitas outras formas de vida são importantes em áreas como medicina, agricultura e ciências ambientais.
Muitas substâncias potencialmente perigosas são impedidas de causar danos pelas membranas das células, que regulam quais produtos químicos podem entrar na célula e bloqueiam fisicamente muitos xenobióticos. As moléculas polares, que possuem dipolos elétricos porque seus elétrons não são compartilhados igualmente entre os átomos da molécula, geralmente são incapazes de passar pela membrana de uma célula. Moléculas não polares, no entanto, podem passar através da membrana permeável e entrar na célula. O metabolismo xenobiótico protege o corpo dessas substâncias com enzimas que reagem com a maioria dos compostos não polares. Essa especialização os impede de atacar substâncias úteis que fazem parte da bioquímica normal do organismo, que são compostos polares capazes de se difundir através das membranas celulares com o auxílio de proteínas de transporte.
No primeiro estágio do metabolismo xenobiótico, a substância estranha é modificada através de reações químicas que adicionam grupos polares ou reativos às suas moléculas. Isso geralmente é feito com enzimas que catalisam reações de monooxigenase com moléculas de oxigênio, ou O2 e hidrogênio, adicionando um átomo de oxigênio do O2 à molécula xenobiótica e produzindo uma molécula de água como subproduto. O grupo de proteínas mais proeminente envolvido nesse estágio é a família do citocromo P450, que abrange mais de 11.500 proteínas diferentes e está presente em todas as formas de vida na Terra.
O xenobiótico modificado é então desintoxicado através de reações com outras moléculas, combinando-se com elas para formar moléculas chamadas conjugados xenobióticos. Os produtos químicos comumente usados nesta fase incluem glicina (C2H5NO2), glutationa (C10H17N3O6S) e ácido glucurônico (C6H10O7). Essas moléculas são aniônicas, o que significa que contêm mais elétrons que prótons e, portanto, possuem uma carga elétrica negativa. Dependendo da substância envolvida, os conjugados resultantes podem sofrer reações químicas adicionais no decurso da desintoxicação.
Finalmente, o conjugado é excretado da célula. Seus grupos aniônicos carregados negativamente permitem a ligação com moléculas transportadoras de proteínas, que transportam o conjugado através da membrana celular e para fora da célula. A partir daí, o xenobiótico pode ser metabolizado ainda mais por bioquímicos extracelulares ou expulso do corpo inteiramente no suor, na urina ou nas fezes.
Com o tempo, o metabolismo xenobiótico das gerações vindouras de organismos pode evoluir para oferecer maior proteção contra substâncias que provavelmente encontrarão em seu ambiente, uma vez que os membros das espécies mais capazes de lidar com eles sobrevivem e superam seus companheiros. Isso permite que muitas formas de vida morem em ambientes ou comam com segurança alimentos que seriam mortais para outras espécies. Por sua vez, isso pode estimular a evolução de espécies que produzem toxinas para fins de caça ou de defesa, criando pressão seletiva que favorece os organismos mais eficazes em superar o metabolismo de seus predadores ou presas.
O metabolismo xenobiótico é um fator importante na agricultura. A reação de diferentes organismos aos xenobióticos afeta como eles serão afetados por produtos químicos agrícolas, como pesticidas. Isso torna a adaptação evolutiva aos xenobióticos uma grande preocupação, pois pragas, como insetos que comem plantas, podem desenvolver uma maior resistência a pesticidas, à medida que membros menos resistentes de uma espécie são arrancados do pool genético.
O metabolismo xenobiótico também é importante na medicina, pois a maioria das drogas é xenobiótica. Alguns medicamentos não têm efeito médico na forma que é realmente administrada ao paciente e se tornam ativos quando são quimicamente alterados pelo metabolismo do paciente, um processo chamado bioativação. Isso geralmente é feito oxidando as moléculas da droga e geralmente envolve a família do citocromo P450. No entanto, também pode envolver outras proteínas, como epóxido hidrolase, metiltransferase e n-acetiltransferase, que causam alterações químicas como hidrólise, metilação e acetilação, respectivamente. Uma causa comum de interações medicamentosas perigosas é quando uma droga afeta o metabolismo do paciente, interferindo na capacidade do organismo de metabolizar outra droga, permitindo que esta se acumule não processada até atingir níveis perigosos e envenenar o paciente.