Was ist Xenobiotischer Stoffwechsel?
Xenobiotischer Stoffwechsel bezieht sich auf die verschiedenen chemischen Reaktionen, die als Stoffwechselwege bezeichnet werden und die ein lebender Organismus verwendet, um Chemikalien, die normalerweise nicht in einem Organismus zu finden sind, im Rahmen seiner natürlichen Biochemie zu verändern. Diese als Xenobiotika bezeichneten Chemikalien können Gifte, Drogen und Umweltschadstoffe enthalten. Xenobiotischer Metabolismus ist wichtig für das Leben, da er es einem Organismus ermöglicht, Fremdgifte zu neutralisieren und zu eliminieren, die andernfalls die chemischen Prozesse stören würden, die ihn am Leben erhalten. 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. Diese regulieren, welche Chemikalien in eine Zelle gelangen dürfen und blockieren physikalisch viele Xenobiotika. Polare Moleküle, die elektrische Dipole haben, weil ihre Elektronen nicht gleichmäßig auf die Atome des Moleküls verteilt sind, kommen im Allgemeinen nicht an der Zellmembran vorbei. Unpolare Moleküle können jedoch durch die durchlässige Membran in die Zelle gelangen. Xenobiotischer Stoffwechsel schützt den Körper vor diesen Substanzen mit Enzymen, die mit den meisten unpolaren Verbindungen reagieren. Diese Spezialisierung verhindert, dass sie nützliche Substanzen angreifen, die Teil der normalen Biochemie des Organismus sind. Hierbei handelt es sich um polare Verbindungen, die mithilfe von Transportproteinen durch Zellmembranen diffundieren können.
In der ersten Phase des xenobiotischen Stoffwechsels wird der Fremdstoff durch chemische Reaktionen modifiziert, bei denen polare oder reaktive Gruppen an seine Moleküle angehängt werden. Dies geschieht am häufigsten mit Enzymen, die Monooxygenase-Reaktionen mit Sauerstoffmolekülen oder O2 und Wasserstoff katalysieren, indem ein Atom Sauerstoff aus dem O2 zum xenobiotischen Molekül hinzugefügt und ein Molekül Wasser als Nebenprodukt erzeugt wird. Die bekannteste Gruppe von Proteinen in diesem Stadium ist die Cytochrom-P450-Familie, die mehr als 11.500 verschiedene Proteine umfasst und in allen Formen des Lebens auf der Erde vorkommt.
Das modifizierte Xenobiotikum wird dann durch Reaktionen mit anderen Molekülen entgiftet und verbindet sich mit diesen zu Molekülen, die als Xenobiotikum-Konjugate bezeichnet werden. Zu den in dieser Phase üblicherweise verwendeten Chemikalien gehören Glycin (C 2 H 5 NO 2), Glutathion (C 10 H 17 N 3 O 6 S) und Glucuronsäure (C 6 H 10 O 7). Diese Moleküle sind anionisch, dh sie enthalten mehr Elektronen als Protonen und sind daher negativ elektrisch geladen. Je nach Substanz können die entstehenden Konjugate im Verlauf der Entgiftung weitere chemische Reaktionen eingehen.
Schließlich wird das Konjugat aus der Zelle ausgeschieden. Aufgrund seiner negativ geladenen anionischen Gruppen kann es an Proteintransportermoleküle binden, die das Konjugat über die Zellmembran und aus der Zelle befördern. Von dort kann das Xenobiotikum durch extrazelluläre Biochemikalien weiter metabolisiert oder vollständig durch Schweiß, Urin oder Kot aus dem Körper ausgestoßen werden.
Mit der Zeit kann sich der xenobiotische Metabolismus nachfolgender Generationen von Organismen weiterentwickeln, um einen besseren Schutz vor Substanzen zu bieten, die sie wahrscheinlich in ihrer Umwelt antreffen, da die Mitglieder der Spezies am besten in der Lage sind, sie zu überleben und ihre Mitmenschen zu überholen. Dies ermöglicht es vielen Lebensformen, in einer Umgebung zu leben oder sicher Lebensmittel zu essen, die für andere Arten tödlich wären. Dies kann wiederum die Evolution von Arten anregen, die Toxine für Jagd- oder Verteidigungszwecke produzieren, und einen selektiven Druck erzeugen, der Organismen begünstigt, die den Metabolismus ihrer Raubtiere oder Beute am effektivsten überwinden.
Xenobiotischer 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 Hauptanliegen, da Schädlinge wie erntefressende Insekten eine größere Resistenz gegen Pestizide entwickeln können, da weniger resistente Mitglieder einer Art aus dem Genpool entfernt werden.
Xenobiotischer Stoffwechsel ist auch in der Medizin wichtig, da die meisten Medikamente Xenobiotika sind. 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 Vorgang, der als Bioaktivierung bezeichnet wird. Dies geschieht am häufigsten durch Oxidation der Moleküle des Arzneimittels und betrifft 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 verursachen. Eine häufige Ursache für gefährliche Arzneimittelwechselwirkungen besteht darin, dass ein Arzneimittel eine Auswirkung auf den Stoffwechsel des Patienten hat, die die Fähigkeit des Körpers beeinträchtigt, ein anderes Arzneimittel zu metabolisieren, so dass sich dieses unbearbeitet ansammelt, bis es gefährliche Werte erreicht und den Patienten vergiftet.