Co je to xenobiotický metabolismus?

Xenobiotický metabolismus označuje různé chemické reakce, nazývané metabolické dráhy, které živý organismus používá ke změně chemických látek, které se běžně v organismu nenacházejí jako součást jeho přirozené biochemie. Tyto chemikálie, nazývané xenobiotika, mohou zahrnovat věci, jako jsou jedy, drogy a látky znečišťující životní prostředí. Xenobiotický metabolismus je důležitý pro život, protože umožňuje organismu neutralizovat a eliminovat cizí toxiny, které by jinak narušovaly chemické procesy, které ho udržují naživu. Xenobiotický metabolismus lidí a mnoho dalších forem života je důležité v oborech jako je medicína, zemědělství a ekologie.

Mnoho potenciálně škodlivých látek brání poškození buněk membránami buněk, které regulují, které chemikálie mohou vstoupit do buňky a fyzicky blokovat mnoho xenobiotik. Polární molekuly, které mají elektrické dipóly, protože jejich elektrony nejsou rovnoměrně sdíleny mezi atomy molekuly, se obecně nemohou dostat přes buněčnou membránu. Nepolární molekuly však mohou procházet propustnou membránou a do buňky. Xenobiotický metabolismus chrání tělo před těmito látkami enzymy, které budou reagovat s většinou nepolárních sloučenin. Tato specializace jim brání v útoku na užitečné látky, které jsou součástí normální biochemie organismu, což jsou polární sloučeniny schopné difúze přes buněčné membrány pomocí transportních proteinů.

V první fázi xenobiotického metabolismu je cizí látka modifikována chemickými reakcemi, které k molekulám přidávají polární nebo reaktivní skupiny. To se nejčastěji provádí pomocí enzymů, které katalyzují monooxygenázové reakce s molekulami kyslíku nebo kyslíkem a vodíkem, přidáním jednoho atomu kyslíku z kyslíku k xenobiotické molekule a produkováním molekuly vody jako vedlejšího produktu. Nejvýznamnější skupinou proteinů zapojených do této fáze je rodina cytochromů P450, která zahrnuje více než 11 500 různých proteinů a je přítomna ve všech formách života na Zemi.

Modifikovaný xenobiotikum je pak detoxikováno reakcemi s jinými molekulami, přičemž se kombinuje s nimi za vzniku molekul nazývaných xenobiotické konjugáty. Mezi chemikálie běžně používané v této fázi patří glycin (C2H5NO2), glutathion (C10H17N3O6S) a kyselina glukuronová (C6H10O7). Tyto molekuly jsou aniontové, což znamená, že obsahují více elektronů než protonů a mají tedy záporný elektrický náboj. V závislosti na použité látce mohou výsledné konjugáty v průběhu detoxifikace podstoupit další chemické reakce.

Nakonec se konjugát vylučuje z buňky. Negativně nabité aniontové skupiny mu umožňují vázat se s molekulami proteinového transportéru, které nesou konjugát přes buněčnou membránu a ven z buňky. Odtud může být xenobiotikum dále metabolizováno extracelulárními biochemickými přípravky nebo může být vyloučeno z těla úplně potem, močí nebo stolicí.

V průběhu času se může xenobiotický metabolismus následných generací organismů vyvíjet, aby poskytoval větší ochranu proti látkám, s nimiž se pravděpodobně setkají ve svém prostředí, protože členové tohoto druhu jsou s nimi schopni nejlépe přežít a vychovávat své kolegy. To umožňuje mnoha formám života žít v prostředích nebo bezpečně jíst jídlo, které by bylo smrtící pro jiné druhy. To může zase podnítit vývoj u druhů, které produkují toxiny pro lovecké nebo obranné účely, což vytváří selektivní tlak, který zvýhodňuje organismy nejúčinnější při překonávání metabolismu jejich predátorů nebo kořisti.

Xenobiotický metabolismus je v zemědělství důležitým faktorem. Reakce různých organismů na xenobiotika ovlivňuje to, jak budou ovlivněny zemědělskými chemikáliemi, jako jsou pesticidy. To činí z evoluční adaptace na xenobiotika hlavní problém, protože škůdci, jako je hmyz konzumující plodiny, se mohou vyvinout větší rezistenci vůči pesticidům, protože méně rezistentní členové druhu jsou známí z genofondu.

Xenobiotický metabolismus je také důležitý v medicíně, protože většina léků jsou xenobiotika. Některá léčiva nemají žádný léčivý účinek ve formě, která je skutečně podávána pacientovi, a jsou aktivní, když jsou chemicky změněna metabolismem pacienta, což je proces zvaný bioaktivace. To se nejčastěji provádí oxidací molekul léčiva a obvykle zahrnuje rodinu cytochromů P450. Může však také zahrnovat další proteiny, jako je epoxid hydroláza, methyltransferáza a n-acetyltransferáza, které způsobují chemické změny, jako je hydrolýza, methylace a acetylace. Jednou z běžných příčin interakcí s nebezpečnými léky je, když má jeden lék účinek na metabolismus pacienta, který narušuje schopnost těla metabolizovat další lék, což mu umožňuje hromadit se nezpracované, dokud nedosáhne nebezpečných hladin a otravuje pacienta.