Der Xenobiotikum-Stoffwechsel bezieht sich auf die verschiedenen chemischen Reaktionen, die als Stoffwechselwege bezeichnet werden und die ein lebender Organismus nutzt, um Chemikalien zu verändern, die normalerweise nicht in einem Organismus als Teil seiner natürlichen Biochemie vorkommen. Diese Chemikalien, die als Xenobiotika bezeichnet werden, können beispielsweise Gifte, Medikamente und Umweltschadstoffe enthalten. Der Xenobiotikum-Stoffwechsel ist für das Leben wichtig, da er es einem Organismus ermöglicht, fremde Giftstoffe zu neutralisieren und zu eliminieren, die sonst die chemischen Prozesse, die ihn am Leben erhalten, stören würden. Der xenobiotische Stoffwechsel des Menschen und vieler anderer Lebensformen ist in Bereichen wie Medizin, Landwirtschaft und Umweltwissenschaften von Bedeutung.
Viele potenziell schädliche Substanzen werden durch die Zellmembranen daran gehindert, Schaden anzurichten, die regulieren, welche Chemikalien in eine Zelle eindringen dürfen und viele Xenobiotika physikalisch blockieren. Polare Moleküle, die elektrische Dipole haben, weil ihre Elektronen nicht gleichmäßig auf die Atome des Moleküls verteilt sind, können die Zellmembran im Allgemeinen nicht passieren. Unpolare Moleküle können jedoch durch die durchlässige Membran und in die Zelle gelangen. Der xenobiotische Stoffwechsel schützt den Körper vor diesen Substanzen mit Enzymen, die mit den meisten unpolaren Verbindungen reagieren. Diese Spezialisierung verhindert, dass sie hilfreiche Substanzen angreifen, die Teil der normalen Biochemie des Organismus sind, bei denen es sich um polare Verbindungen handelt, die mit Hilfe von Transportproteinen durch Zellmembranen diffundieren können.
In der ersten Stufe des xenobiotischen Stoffwechsels wird der Fremdstoff durch chemische Reaktionen modifiziert, die seinen Molekülen polare oder reaktive Gruppen hinzufügen. Dies geschieht am häufigsten mit Enzymen, die Monooxygenase-Reaktionen mit Sauerstoffmolekülen oder O2 und Wasserstoff katalysieren, wobei ein Sauerstoffatom aus dem O2 zum xenobiotischen Molekül hinzugefügt wird und als Nebenprodukt ein Wassermolekül entsteht. Die prominenteste Gruppe von Proteinen, die an diesem Stadium beteiligt sind, ist die Cytochrom-P450-Familie, die mehr als 11,500 verschiedene Proteine umfasst und in allen Lebensformen auf der Erde vorkommt.
Das modifizierte Xenobiotikum wird dann durch Reaktionen mit anderen Molekülen entgiftet und verbindet sich mit ihnen zu Molekülen, die als xenobiotische Konjugate bezeichnet werden. Zu den in dieser Phase häufig verwendeten Chemikalien gehören Glycin (C2H5NO2), Glutathion (C10H17N3O6S) und Glucuronsäure (C6H10O7). Diese Moleküle sind anionisch, das heißt, sie enthalten mehr Elektronen als Protonen und haben daher eine negative elektrische Ladung. Je nach Substanz können die resultierenden Konjugate im Zuge der Entgiftung weitere chemische Reaktionen eingehen.
Schließlich wird das Konjugat aus der Zelle ausgeschieden. Seine negativ geladenen anionischen Gruppen ermöglichen es ihm, an Proteintransportermoleküle zu binden, die das Konjugat durch die Zellmembran und aus der Zelle heraus transportieren. Von dort kann das Xenobiotikum durch extrazelluläre Biochemikalien weiter metabolisiert oder vollständig über Schweiß, Urin oder Kot aus dem Körper ausgeschieden werden.
Im Laufe der Zeit kann sich der xenobiotische Stoffwechsel nachfolgender Generationen von Organismen so weiterentwickeln, dass sie einen besseren Schutz vor Substanzen bieten, denen sie wahrscheinlich in ihrer Umgebung begegnen, da die Mitglieder der Spezies, die am besten mit ihnen umgehen können, überleben und ihre Artgenossen überflügeln. Dies ermöglicht es vielen Lebensformen, in Umgebungen zu leben oder Lebensmittel sicher zu essen, die für andere Arten tödlich wären. Dies kann wiederum die Evolution von Arten fördern, die Giftstoffe für Jagd- oder Verteidigungszwecke produzieren, wodurch ein Selektionsdruck entsteht, der Organismen begünstigt, die den Stoffwechsel ihrer Räuber oder Beute am effektivsten überwinden können.
Der Xenobiotikum-Stoffwechsel ist ein wichtiger Faktor in der Landwirtschaft. Die Reaktion verschiedener Organismen auf Xenobiotika beeinflusst, wie sie durch landwirtschaftliche Chemikalien wie Pestizide beeinflusst werden. Dies macht die evolutionäre Anpassung an Xenobiotika zu einem großen Problem, da Schädlinge wie pflanzenfressende Insekten eine größere Resistenz gegen Pestizide entwickeln können, da weniger resistente Mitglieder einer Art aus dem Genpool ausgeschieden werden.
Der Xenobiotikum-Stoffwechsel ist auch in der Medizin wichtig, da es sich bei den meisten Medikamenten um Xenobiotika handelt. Einige Medikamente haben keine medizinische Wirkung in der Form, die dem Patienten tatsächlich verabreicht wird, und werden aktiv, wenn sie durch den Stoffwechsel des Patienten chemisch verändert werden, ein Prozess, der als Bioaktivierung bezeichnet wird. Dies geschieht am häufigsten durch Oxidation der Moleküle des Arzneimittels und umfasst normalerweise die Cytochrom-P450-Familie. Es können jedoch auch andere Proteine wie Epoxidhydrolase, Methyltransferase und n-Acetyltransferase beteiligt sein, die chemische Veränderungen wie Hydrolyse, Methylierung bzw. Acetylierung bewirken. Eine häufige Ursache für gefährliche Arzneimittelwechselwirkungen ist, wenn ein Arzneimittel einen Einfluss auf den Stoffwechsel des Patienten hat, der die Fähigkeit des Körpers stört, ein anderes Arzneimittel zu verstoffwechseln, so dass sich letzteres unverarbeitet ansammelt, bis es gefährliche Werte erreicht und den Patienten vergiftet.