El metabolismo xenobiótico se refiere a las diversas reacciones químicas, llamadas vías metabólicas, que un organismo vivo utiliza para alterar sustancias químicas que normalmente no se encuentran en un organismo como parte de su bioquímica natural. Estos productos químicos, llamados xenobióticos, pueden incluir cosas como venenos, drogas y contaminantes ambientales. El metabolismo xenobiótico es importante para la vida, ya que permite que un organismo neutralice y elimine toxinas extrañas que de otro modo interferirían con los procesos químicos que lo mantienen vivo. El metabolismo xenobiótico de los humanos y muchas otras formas de vida es importante en campos como la medicina, la agricultura y la ciencia ambiental.
Las membranas de las células impiden que muchas sustancias potencialmente dañinas dañen, lo que regula qué sustancias químicas pueden ingresar a una célula y bloquean físicamente muchos xenobióticos. Las moléculas polares, que tienen dipolos eléctricos porque sus electrones no se comparten de manera uniforme entre los átomos de la molécula, generalmente no pueden pasar la membrana de una célula. Sin embargo, las moléculas no polares pueden pasar a través de la membrana permeable hacia la célula. El metabolismo xenobiótico protege al cuerpo de estas sustancias con enzimas que reaccionarán con la mayoría de los compuestos no polares. Esta especialización les impide atacar sustancias útiles que forman parte de la bioquímica normal del organismo, que son compuestos polares capaces de difundirse a través de las membranas celulares con la ayuda de proteínas de transporte.
En la primera etapa del metabolismo xenobiótico, la sustancia extraña se modifica a través de reacciones químicas que agregan grupos polares o reactivos a sus moléculas. Esto se hace más comúnmente con enzimas que catalizan reacciones de monooxigenasa con moléculas de oxígeno u O2 e hidrógeno, agregando un átomo de oxígeno del O2 a la molécula xenobiótica y produciendo una molécula de agua como subproducto. El grupo más destacado de proteínas involucradas en esta etapa es la familia del citocromo P450, que abarca más de 11,500 proteínas diferentes y está presente en todas las formas de vida en la Tierra.
El xenobiótico modificado se desintoxica a través de reacciones con otras moléculas, combinándose con ellas para formar moléculas llamadas conjugados xenobióticos. Los productos químicos comúnmente utilizados en esta fase incluyen glicina (C2H5NO2), glutatión (C10H17N3O6S) y ácido glucurónico (C6H10O7). Estas moléculas son aniónicas, lo que significa que contienen más electrones que protones y, por lo tanto, tienen una carga eléctrica negativa. Dependiendo de la sustancia involucrada, los conjugados resultantes pueden sufrir más reacciones químicas en el curso de la desintoxicación.
Finalmente, el conjugado se excreta de la célula. Sus grupos aniónicos cargados negativamente le permiten unirse con moléculas transportadoras de proteínas, que transportan el conjugado a través de la membrana celular y fuera de la célula. A partir de ahí, el xenobiótico puede ser metabolizado por bioquímicos extracelulares o expulsado del cuerpo por completo en sudor, orina o heces.
Con el tiempo, el metabolismo xenobiótico de las generaciones sucesivas de organismos puede evolucionar para brindar una mayor protección contra las sustancias con las que es probable que se encuentren en su entorno, ya que los miembros de la especie pueden manejarlos mejor y sobrevivir a sus compañeros. Esto permite que muchas formas de vida vivan en ambientes o coman de manera segura alimentos que serían mortales para otras especies. Esto a su vez puede estimular la evolución en especies que producen toxinas con fines de caza o defensa, creando una presión selectiva que favorece a los organismos más eficaces para superar el metabolismo de sus depredadores o presas.
El metabolismo xenobiótico es un factor importante en la agricultura. La reacción de diferentes organismos a los xenobióticos afecta cómo se verán afectados por los productos químicos agrícolas, como los pesticidas. Esto hace que la adaptación evolutiva a los xenobióticos sea una preocupación importante, ya que las plagas como los insectos que se alimentan de cultivos pueden desarrollar una mayor resistencia a los pesticidas a medida que los miembros menos resistentes de una especie se eliminan del acervo genético.
El metabolismo xenobiótico también es importante en medicina, ya que la mayoría de los fármacos son xenobióticos. Algunos medicamentos no tienen ningún efecto médico en la forma en que realmente se administra al paciente y se activan cuando el metabolismo del paciente los altera químicamente, un proceso llamado bioactivación. Esto se hace más comúnmente oxidando las moléculas del medicamento y generalmente involucra a la familia del citocromo P450. Sin embargo, también puede involucrar otras proteínas como la epóxido hidrolasa, la metiltransferasa y la n-acetiltransferasa, que causan cambios químicos como la hidrólisis, la metilación y la acetilación, respectivamente. Una causa común de interacciones medicamentosas peligrosas es cuando una droga tiene un efecto en el metabolismo del paciente que interfiere con la capacidad del cuerpo para metabolizar otra droga, permitiendo que esta última se acumule sin procesar hasta que alcance niveles peligrosos y envenene al paciente.