Co to jest metabolizm ksenobiotyczny?

Metabolizm ksenobiotyczny odnosi się do różnych reakcji chemicznych, zwanych szlakami metabolicznymi, które żywy organizm wykorzystuje do zmiany substancji chemicznych, które normalnie nie występują w organizmie w ramach jego naturalnej biochemii. Te chemikalia, zwane ksenobiotykami, mogą obejmować takie substancje, jak trucizny, narkotyki i zanieczyszczenia środowiska. Metabolizm ksenobiotyków jest ważny dla życia, ponieważ pozwala organizmowi neutralizować i eliminować obce toksyny, które w przeciwnym razie zakłócałyby procesy chemiczne, które utrzymują go przy życiu. Ksenobiotyczny metabolizm ludzi i wiele innych form życia jest ważny w takich dziedzinach, jak medycyna, rolnictwo i nauki o środowisku.

Wiele potencjalnie szkodliwych substancji zapobiega uszkodzeniom przez błony komórkowe, które regulują, które substancje chemiczne mogą dostać się do komórki i fizycznie blokują wiele ksenobiotyków. Cząsteczki polarne, które mają dipole elektryczne, ponieważ ich elektrony nie są równomiernie dzielone między atomami cząsteczki, na ogół nie są w stanie przedostać się przez błonę komórkową. Jednak niepolarne cząsteczki mogą przechodzić przez przepuszczalną błonę i do komórki. Metabolizm ksenobiotyczny chroni organizm przed tymi substancjami za pomocą enzymów, które będą reagować z większością niepolarnych związków. Ta specjalizacja zapobiega atakowaniu pomocnych substancji, które są częścią normalnej biochemii organizmu, czyli związków polarnych zdolnych do dyfuzji przez błony komórkowe za pomocą białek transportowych.

W pierwszym etapie metabolizmu ksenobiotycznego obcą substancję modyfikuje się poprzez reakcje chemiczne, które dodają do cząsteczek grupy polarne lub reaktywne. Najczęściej odbywa się to za pomocą enzymów, które katalizują reakcje monooksygenazy z cząsteczkami tlenu lub O2 i wodorem, dodając jeden atom tlenu z O2 do cząsteczki ksenobiotyku i wytwarzając cząsteczkę wody jako produkt uboczny. Najważniejszą grupą białek uczestniczących w tym etapie jest rodzina cytochromu P450, która obejmuje ponad 11 500 różnych białek i jest obecna we wszystkich formach życia na Ziemi.

Zmodyfikowany ksenobiotyk jest następnie detoksykowany poprzez reakcje z innymi cząsteczkami, łącząc się z nimi, tworząc cząsteczki zwane koniugatami ksenobiotycznymi. Chemikalia powszechnie stosowane w tej fazie obejmują glicynę (C2H5NO2), glutation (C10H17N3O6S) i kwas glukuronowy (C6H10O7). Cząsteczki te są anionowe, co oznacza, że ​​zawierają więcej elektronów niż protonów, a zatem mają ujemny ładunek elektryczny. W zależności od zaangażowanej substancji powstałe koniugaty mogą ulegać dalszym reakcjom chemicznym w trakcie detoksykacji.

Wreszcie koniugat jest wydalany z komórki. Jego ujemnie naładowane grupy anionowe pozwalają mu wiązać się z cząsteczkami transportera białka, które przenoszą koniugat przez błonę komórkową i poza komórkę. Stamtąd ksenobiotyk może być dalej metabolizowany przez zewnątrzkomórkowe substancje biochemiczne lub wydalany z organizmu całkowicie wraz z potem, moczem lub kałem.

Z czasem metabolizm ksenobiotyczny kolejnych pokoleń organizmów może ewoluować, aby zapewnić lepszą ochronę przed substancjami, które prawdopodobnie napotkają w swoim środowisku, ponieważ członkowie gatunku najlepiej radzą sobie z nimi, przeżywając i rozmnażając swoich towarzyszy. Pozwala to wielu formom życia żyć w środowisku lub bezpiecznie jeść żywność, która byłaby śmiertelna dla innych gatunków. To z kolei może pobudzić ewolucję gatunków wytwarzających toksyny do celów łowieckich lub obronnych, tworząc presję selektywną, która sprzyja organizmom najbardziej efektywnym w przezwyciężaniu metabolizmu ich drapieżników lub ofiar.

Ważnym czynnikiem w rolnictwie jest metabolizm ksenobiotyczny. Reakcja różnych organizmów na ksenobiotyki wpływa na ich wpływ na chemikalia rolnicze, takie jak pestycydy. To sprawia, że ​​adaptacja ewolucyjna do ksenobiotyków jest poważnym problemem, ponieważ szkodniki, takie jak owady zjadające rośliny, mogą rozwinąć większą odporność na pestycydy, ponieważ mniej odporni członkowie gatunku zostaną wysunięci z puli genów.

Metabolizm ksenobiotyków jest również ważny w medycynie, ponieważ większość leków to ksenobiotyki. Niektóre leki nie mają działania medycznego w postaci, która jest faktycznie podawana pacjentowi i stają się aktywne, gdy zostaną chemicznie zmienione przez metabolizm pacjenta, proces zwany bioaktywacją. Najczęściej odbywa się to przez utlenianie cząsteczek leku i zwykle obejmuje rodzinę cytochromu P450. Może jednak obejmować także inne białka, takie jak hydrolaza epoksydowa, metylotransferaza i n-acetylotransferaza, które powodują zmiany chemiczne, takie jak odpowiednio hydroliza, metylacja i acetylacja. Jedną z częstych przyczyn niebezpiecznych interakcji między lekami jest sytuacja, gdy jeden lek wpływa na metabolizm pacjenta, co zaburza zdolność organizmu do metabolizowania innego leku, umożliwiając mu gromadzenie się nieprzetworzonych, dopóki nie osiągnie niebezpiecznego poziomu i zatruwa pacjenta.