Metabolisme xenobiotik mengacu pada berbagai reaksi kimia, yang disebut jalur metabolisme, yang digunakan organisme hidup untuk mengubah bahan kimia yang biasanya tidak ditemukan dalam organisme sebagai bagian dari biokimia alaminya. Bahan kimia ini, yang disebut xenobiotik, dapat mencakup hal-hal seperti racun, obat-obatan, dan polutan lingkungan. Metabolisme xenobiotik penting untuk kehidupan, karena memungkinkan organisme untuk menetralkan dan menghilangkan racun asing yang akan mengganggu proses kimia yang membuatnya tetap hidup. Metabolisme xenobiotik manusia dan banyak bentuk kehidupan lainnya penting dalam bidang-bidang seperti kedokteran, pertanian, dan ilmu lingkungan.
Banyak zat yang berpotensi berbahaya dicegah melakukan kerusakan oleh membran sel, yang mengatur bahan kimia mana yang diizinkan masuk ke dalam sel dan secara fisik memblokir banyak xenobiotik. Molekul polar, yang memiliki dipol listrik karena elektronnya tidak dibagi rata di antara atom-atom molekul, umumnya tidak dapat melewati membran sel. Molekul nonpolar, bagaimanapun, dapat melewati membran permeabel dan masuk ke dalam sel. Metabolisme xenobiotik melindungi tubuh dari zat tersebut dengan enzim yang akan bereaksi dengan sebagian besar senyawa nonpolar. Spesialisasi ini mencegah mereka menyerang zat bermanfaat yang merupakan bagian dari biokimia normal organisme, yang merupakan senyawa polar yang dapat berdifusi melalui membran sel dengan bantuan protein transpor.
Pada tahap pertama metabolisme xenobiotik, zat asing dimodifikasi melalui reaksi kimia yang menambahkan gugus polar atau reaktif ke molekulnya. Hal ini paling sering dilakukan dengan enzim yang mengkatalisis reaksi monooksigenase dengan molekul oksigen, atau O2, dan hidrogen, menambahkan satu atom oksigen dari O2 ke molekul xenobiotik dan menghasilkan molekul air sebagai produk sampingan. Kelompok protein yang paling menonjol yang terlibat dalam tahap ini adalah keluarga sitokrom P450, yang mencakup lebih dari 11,500 protein berbeda dan hadir dalam semua bentuk kehidupan di Bumi.
Xenobiotik yang dimodifikasi kemudian didetoksifikasi melalui reaksi dengan molekul lain, bergabung dengan mereka untuk membentuk molekul yang disebut konjugat xenobiotik. Bahan kimia yang biasa digunakan dalam fase ini antara lain glisin (C2H5NO2), glutathione (C10H17N3O6S), dan asam glukuronat (C6H10O7). Molekul-molekul ini bersifat anionik, artinya mengandung lebih banyak elektron daripada proton sehingga memiliki muatan listrik negatif. Tergantung pada zat yang terlibat, konjugat yang dihasilkan dapat mengalami reaksi kimia lebih lanjut selama detoksifikasi.
Akhirnya, konjugat dikeluarkan dari sel. Gugus anioniknya yang bermuatan negatif memungkinkannya untuk berikatan dengan molekul pengangkut protein, yang membawa konjugat melintasi membran sel dan keluar dari sel. Dari sana xenobiotik dapat dimetabolisme lebih lanjut oleh biokimia ekstraseluler atau dikeluarkan dari tubuh seluruhnya melalui keringat, urin, atau feses.
Seiring waktu, metabolisme xenobiotik dari generasi berikutnya dari organisme dapat berevolusi untuk memberikan perlindungan yang lebih besar terhadap zat yang mungkin mereka temui di lingkungan mereka, karena anggota spesies yang paling mampu menangani mereka hidup lebih lama dan berkembang biak lebih banyak dari rekan-rekan mereka. Hal ini memungkinkan banyak bentuk kehidupan untuk hidup di lingkungan atau dengan aman memakan makanan yang akan mematikan bagi spesies lain. Hal ini pada gilirannya dapat memacu evolusi pada spesies yang menghasilkan racun untuk tujuan berburu atau bertahan, menciptakan tekanan selektif yang menguntungkan organisme yang paling efektif dalam mengatasi metabolisme pemangsa atau mangsanya.
Metabolisme xenobiotik merupakan faktor penting dalam pertanian. Reaksi organisme yang berbeda terhadap xenobiotik mempengaruhi bagaimana mereka akan terpengaruh oleh bahan kimia pertanian seperti pestisida. Hal ini membuat adaptasi evolusioner terhadap xenobiotik menjadi perhatian utama, karena hama seperti serangga pemakan tanaman dapat mengembangkan resistensi yang lebih besar terhadap pestisida karena anggota spesies yang kurang resisten dikeluarkan dari kumpulan gen.
Metabolisme xenobiotik juga penting dalam pengobatan, karena kebanyakan obat adalah xenobiotik. Beberapa obat tidak memiliki efek medis dalam bentuk yang sebenarnya diberikan kepada pasien dan menjadi aktif ketika mereka diubah secara kimiawi oleh metabolisme pasien, suatu proses yang disebut bioaktivasi. Hal ini paling sering dilakukan dengan mengoksidasi molekul obat dan biasanya melibatkan keluarga sitokrom P450. Namun, itu juga dapat melibatkan protein lain seperti epoksida hidrolase, metiltransferase, dan n-asetiltransferase, yang masing-masing menyebabkan perubahan kimia seperti hidrolisis, metilasi, dan asetilasi. Salah satu penyebab umum dari interaksi obat yang berbahaya adalah ketika satu obat memiliki efek pada metabolisme pasien yang mengganggu kemampuan tubuh untuk memetabolisme obat lain, memungkinkan yang terakhir menumpuk tanpa diproses hingga mencapai tingkat berbahaya dan meracuni pasien.