Il metabolismo xenobiotico si riferisce alle varie reazioni chimiche, chiamate vie metaboliche, che un organismo vivente usa per alterare sostanze chimiche che normalmente non si trovano in un organismo come parte della sua biochimica naturale. Queste sostanze chimiche, chiamate xenobiotici, possono includere sostanze come veleni, droghe e inquinanti ambientali. Il metabolismo xenobiotico è importante per la vita, in quanto consente a un organismo di neutralizzare ed eliminare le tossine estranee che altrimenti interferirebbero con i processi chimici che lo mantengono in vita. Il metabolismo xenobiotico degli esseri umani e di molte altre forme di vita è importante in campi come la medicina, l’agricoltura e le scienze ambientali.
A molte sostanze potenzialmente dannose viene impedito di danneggiare le membrane delle cellule, che regolano quali sostanze chimiche sono autorizzate a entrare in una cellula e bloccano fisicamente molti xenobiotici. Le molecole polari, che hanno dipoli elettrici perché i loro elettroni non sono uniformemente condivisi tra gli atomi della molecola, generalmente non sono in grado di superare la membrana cellulare. Le molecole non polari, tuttavia, possono passare attraverso la membrana permeabile e nella cellula. Il metabolismo xenobiotico protegge il corpo da queste sostanze con enzimi che reagiranno con la maggior parte dei composti non polari. Questa specializzazione impedisce loro di attaccare sostanze utili che fanno parte della normale biochimica dell’organismo, che sono composti polari in grado di diffondersi attraverso le membrane cellulari con l’aiuto delle proteine ??di trasporto.
Nel primo stadio del metabolismo xenobiotico, la sostanza estranea viene modificata attraverso reazioni chimiche che aggiungono gruppi polari o reattivi alle sue molecole. Questo è più comunemente fatto con enzimi che catalizzano le reazioni monoossigenasi con molecole di ossigeno, o O2 e idrogeno, aggiungendo un atomo di ossigeno dall’O2 alla molecola xenobiotica e producendo una molecola di acqua come sottoprodotto. Il gruppo più importante di proteine ??coinvolte in questo stadio è la famiglia del citocromo P450, che comprende oltre 11.500 proteine ??diverse ed è presente in tutte le forme di vita sulla Terra.
Lo xenobiotico modificato viene quindi disintossicato attraverso reazioni con altre molecole, combinandosi con esse per formare molecole chiamate coniugati xenobiotici. I prodotti chimici comunemente usati in questa fase includono glicina (C2H5NO2), glutatione (C10H17N3O6S) e acido glucuronico (C6H10O7). Queste molecole sono anioniche, nel senso che contengono più elettroni che protoni e quindi hanno una carica elettrica negativa. A seconda della sostanza interessata, i coniugati risultanti possono subire ulteriori reazioni chimiche nel corso della disintossicazione.
Infine, il coniugato viene escreto dalla cellula. I suoi gruppi anionici con carica negativa gli consentono di legarsi con molecole trasportatrici di proteine, che trasportano il coniugato attraverso la membrana cellulare e fuori dalla cellula. Da lì lo xenobiotico può essere ulteriormente metabolizzato da sostanze biochimiche extracellulari o espulso dal corpo interamente in sudore, urina o feci.
Nel tempo, il metabolismo xenobiotico delle generazioni successive di organismi può evolversi per offrire una maggiore protezione contro le sostanze che potrebbero incontrare nel loro ambiente, poiché i membri della specie sono in grado di gestirli meglio sopravvivendo e superando i loro simili. Ciò consente a molte forme di vita di vivere in ambienti o di mangiare in sicurezza alimenti che sarebbero mortali per altre specie. Questo a sua volta può stimolare l’evoluzione delle specie che producono tossine per la caccia o per scopi difensivi, creando una pressione selettiva che favorisce gli organismi più efficaci nel superare il metabolismo dei loro predatori o prede.
Il metabolismo xenobiotico è un fattore importante in agricoltura. La reazione di diversi organismi agli xenobiotici influenza il modo in cui saranno influenzati dai prodotti chimici agricoli come i pesticidi. Ciò rende di grande preoccupazione l’adattamento evolutivo agli xenobiotici, in quanto i parassiti come gli insetti che mangiano le colture possono sviluppare una maggiore resistenza ai pesticidi poiché i membri meno resistenti di una specie vengono riconosciuti dal pool genetico.
Anche il metabolismo xenobiotico è importante in medicina, poiché la maggior parte dei farmaci sono xenobiotici. Alcuni farmaci non hanno alcun effetto medico nella forma che viene effettivamente somministrata al paziente e diventano attivi quando vengono alterati chimicamente dal metabolismo del paziente, un processo chiamato bioattivazione. Questo è più comunemente fatto ossidando le molecole del farmaco e di solito coinvolge la famiglia del citocromo P450. Tuttavia, può anche coinvolgere altre proteine ??come l’epossido idrolasi, la metiltransferasi e la n-acetiltransferasi, che causano cambiamenti chimici come idrolisi, metilazione e acetilazione, rispettivamente. Una causa comune di pericolose interazioni farmacologiche è quando un farmaco ha un effetto sul metabolismo del paziente che interferisce con la capacità del corpo di metabolizzare un altro farmaco, permettendo a quest’ultimo di accumularsi non trattato fino a raggiungere livelli pericolosi e avvelenare il paziente.