Hva er xenobiotisk metabolisme?

Xenobiotic metabolism refererer til de forskjellige kjemiske reaksjonene, kalt metabolic pathways, som en levende organisme bruker for å endre kjemikalier som normalt ikke finnes i en organisme som en del av dens naturlige biokjemi. Disse kjemikaliene, kalt xenobiotika, kan omfatte ting som giftstoffer, medikamenter og miljøgifter. Xenobiotisk metabolisme er viktig for livet, da det gjør at en organisme kan nøytralisere og eliminere fremmede giftstoffer som ellers ville forstyrre de kjemiske prosessene som holder den i live. Den xenobiotiske metabolismen til mennesker og mange andre former for liv er viktig innen felt som medisin, landbruk og miljøvitenskap.

Mange potensielt skadelige stoffer blir forhindret fra å skade på cellens membraner, som regulerer hvilke kjemikalier som får lov til å komme inn i en celle og fysisk blokkere mange xenobiotika. Polare molekyler, som har elektriske dipoler fordi deres elektroner ikke er jevnt delt mellom molekylets atomer, er generelt ikke i stand til å komme forbi en celles membran. Ikke-polare molekyler kan imidlertid passere gjennom den permeable membranen og inn i cellen. Xenobiotisk metabolisme beskytter kroppen mot disse stoffene med enzymer som vil reagere med de fleste ikke-polare forbindelser. Denne spesialiseringen forhindrer dem i å angripe nyttige stoffer som er en del av organismens normale biokjemi, som er polare forbindelser som kan diffundere gjennom cellemembraner ved hjelp av transportproteiner.

I det første trinnet av xenobiotisk metabolisme blir det fremmede stoffet modifisert gjennom kjemiske reaksjoner som tilfører polare eller reaktive grupper til molekylene. Dette gjøres ofte med enzymer som katalyserer monooxygenase-reaksjoner med oksygenmolekyler, eller O2, og hydrogen, og tilfører ett atom oksygen fra O2 til det xenobiotiske molekylet og produserer et molekyl med vann som et biprodukt. Den mest fremtredende gruppen proteiner som er involvert i dette stadiet, er cytokrom P450-familien, som omfatter mer enn 11 500 forskjellige proteiner og er til stede i alle livsformer på jorden.

Det modifiserte xenobiotikum avgiftes deretter gjennom reaksjoner med andre molekyler, og kombineres med dem for å danne molekyler som kalles xenobiotiske konjugater. Kjemikalier som vanligvis brukes i denne fasen inkluderer glycin (C2H5NO2), glutation (C10H17N3O6S) og glukuronsyre (C6H10O7). Disse molekylene er anioniske, noe som betyr at de inneholder flere elektroner enn protoner og har derfor en negativ elektrisk ladning. Avhengig av stoffet som er involvert, kan de resulterende konjugater gjennomgå ytterligere kjemiske reaksjoner i løpet av avgiftning.

Til slutt skilles konjugatet ut fra cellen. Dens negativt ladede anioniske grupper lar den binde seg med proteintransportmolekyler, som fører konjugatet over cellemembranen og ut av cellen. Derfra kan xenobiotikum metaboliseres ytterligere av ekstracellulære biokjemikalier eller bortvises fra kroppen helt i svette, urin eller avføring.

Over tid kan den xenobiotiske metabolismen til etterfølgende generasjoner av organismer utvikle seg for å gi større beskyttelse mot stoffer de sannsynligvis vil møte i miljøet, ettersom medlemmene av artene best er i stand til å håndtere dem og lever ut og avle sine stipendiater. Dette gjør at mange livsformer kan leve i miljøer eller trygt spise mat som vil være dødelig for andre arter. Dette kan igjen stimulere evolusjonen hos arter som produserer giftstoffer til jakt eller forsvarsformål, og skaper selektivt trykk som favoriserer organismer som er mest effektive til å overvinne metabolismen til rovdyrene deres eller byttedyrene.

Xenobiotisk metabolisme er en viktig faktor i landbruket. Reaksjonene fra forskjellige organismer på xenobiotika påvirker hvordan de vil bli påvirket av landbrukskjemikalier som for eksempel plantevernmidler. Dette gjør evolusjonær tilpasning til xenobiotika til en stor bekymring, da skadedyr som avlingspisende insekter kan utvikle større motstand mot plantevernmidler ettersom mindre resistente medlemmer av en art blir vinket ut av genbassenget.

Xenobiotisk metabolisme er også viktig i medisinen, ettersom de fleste medisiner er xenobiotika. Noen medikamenter har ingen medisinsk effekt i form som faktisk administreres til pasienten og blir aktive når de kjemisk endres av pasientens metabolisme, en prosess som kalles bioaktivering. Dette gjøres ofte ved å oksidere stoffets molekyler og involverer vanligvis cytokrom P450-familien. Imidlertid kan det også involvere andre proteiner som epoksydhydrolase, metyltransferase og n-acetyltransferase, som forårsaker kjemiske forandringer som henholdsvis hydrolyse, metylering og acetylering. En vanlig årsak til farlige legemiddelinteraksjoner er når ett medikament har en effekt på pasientens metabolisme som forstyrrer kroppens evne til å metabolisere et annet medikament, slik at sistnevnte kan akkumuleres ubearbeidet til det når farlige nivåer og forgir pasienten.