Hvad er xenobiotisk metabolisme?

Xenobiotisk metabolisme henviser til de forskellige kemiske reaktioner, kaldet metaboliske veje, som en levende organisme bruger til at ændre kemikalier, der normalt ikke findes i en organisme som en del af dens naturlige biokemi. Disse kemikalier, kaldet xenobiotika, kan omfatte ting som giftstoffer, stoffer og miljøforurenende stoffer. Xenobiotisk metabolisme er vigtig for livet, da det tillader en organisme at neutralisere og eliminere fremmede giftstoffer, der ellers ville forstyrre de kemiske processer, der holder den i live. Den xenobiotiske metabolisme af mennesker og mange andre former for liv er vigtig inden for områder som medicin, landbrug og miljøvidenskab.

Mange potentielt skadelige stoffer forhindres i at skade på cellernes membraner, som regulerer, hvilke kemikalier der får lov til at komme ind i en celle og fysisk blokere mange xenobiotika. Polære molekyler, som har elektriske dipoler, fordi deres elektroner ikke er jævnt fordelt mellem molekylets atomer, er generelt ikke i stand til at komme forbi en celles membran. Ikke-polære molekyler kan imidlertid passere gennem den permeable membran og ind i cellen. Xenobiotisk metabolisme beskytter kroppen mod disse stoffer med enzymer, der vil reagere med de fleste ikke-polære forbindelser. Denne specialisering forhindrer dem i at angribe nyttige stoffer, der er en del af organismens normale biokemi, som er polære forbindelser, der er i stand til at diffundere gennem cellemembraner ved hjælp af transportproteiner.

I det første trin i den xenobiotiske metabolisme ændres det fremmede stof gennem kemiske reaktioner, der tilføjer polære eller reaktive grupper til dets molekyler. Dette gøres hyppigst med enzymer, der katalyserer monooxygenase-reaktioner med iltmolekyler, eller O2, og brint, der tilsætter et iltatom fra O2 til det xenobiotiske molekyle og producerer et molekyle vand som et biprodukt. Den mest fremtrædende gruppe proteiner, der er involveret i dette trin, er cytochrome P450-familien, der omfatter mere end 11.500 forskellige proteiner og er til stede i alle former for liv på Jorden.

Det modificerede xenobiotikum afgiftes derefter gennem reaktioner med andre molekyler og kombineres med dem til dannelse af molekyler kaldet xenobiotiske konjugater. Kemikalier, der almindeligvis anvendes i denne fase, inkluderer glycin (C2H5NO2), glutathion (C10H17N3O6S) og glucuronsyre (C6H10O7). Disse molekyler er anioniske, hvilket betyder at de indeholder flere elektroner end protoner og har derfor en negativ elektrisk ladning. Afhængigt af det involverede stof kan de resulterende konjugater gennemgå yderligere kemiske reaktioner i løbet af afgiftning.

Endelig udskilles konjugatet fra cellen. Dens negativt ladede anioniske grupper tillader det at binde med proteintransportmolekyler, som bærer konjugatet hen over cellemembranen og ud af cellen. Derfra kan det xenobiotiske stof metaboliseres yderligere af ekstracellulære biokemikalier eller udvises fra kroppen fuldstændigt i sved, urin eller fæces.

Over tid kan den xenobiotiske metabolisme af efterfølgende generationer af organismer udvikle sig for at give større beskyttelse mod stoffer, de sandsynligvis vil støde på i deres miljø, da medlemmerne af de arter, der bedst kan håndtere dem, lever og udraser deres stipendiater. Dette tillader mange livsformer at leve i miljøer eller sikkert spise mad, der ville være dødbringende for andre arter. Dette kan igen tilskynde til udvikling hos arter, der producerer toksiner til jagt eller forsvarsmæssige formål, hvilket skaber selektivt tryk, der favoriserer organismer, der er mest effektive til at overvinde metabolismen af ​​deres rovdyr eller bytte.

Xenobiotisk metabolisme er en vigtig faktor i landbruget. Reaktionen fra forskellige organismer på xenobiotika påvirker, hvordan de vil blive påvirket af landbrugskemikalier, såsom pesticider. Dette gør evolutionær tilpasning til xenobiotika til en stor bekymring, da skadedyr såsom afgrødespisende insekter kan udvikle sig større modstand mod pesticider, da mindre resistente medlemmer af en art udvindes ud af genpuljen.

Xenobiotisk metabolisme er også vigtig i medicinen, da de fleste lægemidler er xenobiotika. Nogle lægemidler har ingen medicinsk virkning i den form, der faktisk administreres til patienten og bliver aktive, når de kemisk ændres af patientens stofskifte, en proces kaldet bioaktivering. Dette gøres hyppigst ved at oxidere lægemidlets molekyler og involverer normalt cytochrome P450-familien. Imidlertid kan det også involvere andre proteiner, såsom epoxidhydrolase, methyltransferase og n-acetyltransferase, som forårsager henholdsvis kemiske ændringer, såsom hydrolyse, methylering og acetylering. En almindelig årsag til farlige lægemiddelinteraktioner er, når et lægemiddel har en indflydelse på patientens stofskifte, der griber ind i kroppens evne til at metabolisere et andet lægemiddel, hvilket tillader det sidstnævnte at akkumuleres ubearbejdet, indtil det når farlige niveauer og forgifter patienten.