Ksenobiotični metabolizem se nanaša na različne kemične reakcije, imenovane presnovne poti, ki jih živi organizem uporablja za spreminjanje kemikalij, ki jih običajno ne najdemo v organizmu kot del njegove naravne biokemije. Te kemikalije, imenovane ksenobiotiki, lahko vključujejo stvari, kot so strupi, zdravila in onesnaževala okolja. Presnova ksenobiotikov je pomembna za življenje, saj omogoča organizmu, da nevtralizira in odstrani tuje toksine, ki bi sicer motili kemične procese, ki ga ohranjajo pri življenju. Ksenobiotični metabolizem ljudi in mnogih drugih oblik življenja je pomemben na področjih, kot so medicina, kmetijstvo in znanost o okolju.
Številnim potencialno škodljivim snovem preprečujejo škodo zaradi celičnih membran, ki uravnavajo, katere kemikalije lahko vstopijo v celico in fizično blokirajo številne ksenobiotike. Polarne molekule, ki imajo električne dipole, ker njihovi elektroni niso enakomerno porazdeljeni med atomi molekule, na splošno ne morejo priti mimo celične membrane. Nepolarne molekule pa lahko prehajajo skozi prepustno membrano in v celico. Ksenobiotični metabolizem ščiti telo pred temi snovmi z encimi, ki bodo reagirali z večino nepolarnih spojin. Ta specializacija jim preprečuje, da bi napadali koristne snovi, ki so del normalne biokemije organizma, ki so polarne spojine, ki lahko s pomočjo transportnih beljakovin razpršijo skozi celične membrane.
V prvi stopnji presnove ksenobiotikov se tujka modificira s kemičnimi reakcijami, ki njenim molekulam dodajo polarne ali reaktivne skupine. To se najpogosteje izvaja z encimi, ki katalizirajo monooksigenazne reakcije z molekulami kisika ali O2 in vodikom, ki dodajo en atom kisika iz O2 ksenobiotični molekuli in proizvedejo molekulo vode kot stranski produkt. Najpomembnejša skupina beljakovin, vključenih v to stopnjo, je družina citokroma P450, ki obsega več kot 11,500 različnih beljakovin in je prisotna v vseh oblikah življenja na Zemlji.
Modificirani ksenobiotik se nato razstrupi z reakcijami z drugimi molekulami in se z njimi združi v molekule, imenovane ksenobiotični konjugati. Kemikalije, ki se običajno uporabljajo v tej fazi, vključujejo glicin (C2H5NO2), glutation (C10H17N3O6S) in glukuronsko kislino (C6H10O7). Te molekule so anionske, kar pomeni, da vsebujejo več elektronov kot protonov in imajo tako negativen električni naboj. Odvisno od vključene snovi so lahko nastali konjugati med razstrupljanjem podvrženi nadaljnjim kemičnim reakcijam.
Končno se konjugat izloči iz celice. Njegove negativno nabite anionske skupine mu omogočajo, da se veže z molekulami transporterja beljakovin, ki prenašajo konjugat čez celično membrano in iz celice. Od tam se lahko ksenobiotik nadalje presnavlja z zunajceličnimi biokemikalijami ali pa se v celoti izloči iz telesa s znojem, urinom ali blatom.
Sčasoma se lahko ksenobiotični metabolizem naslednjih generacij organizmov razvije tako, da zagotovi večjo zaščito pred snovmi, ki jih bodo verjetno srečali v svojem okolju, saj pripadniki vrste z njimi najbolje obvladajo in preživijo svoje sorodnike. To omogoča številnim oblikam življenja, da živijo v okoljih ali varno jedo hrano, ki bi bila smrtonosna za druge vrste. To lahko posledično spodbudi evolucijo pri vrstah, ki proizvajajo toksine za lovske ali obrambne namene, kar ustvarja selektivni pritisk, ki daje prednost organizmom, ki so najbolj učinkoviti pri premagovanju metabolizma njihovih plenilcev ali plena.
Presnova ksenobiotikov je pomemben dejavnik v kmetijstvu. Reakcija različnih organizmov na ksenobiotike vpliva na to, kako bodo nanje vplivale kmetijske kemikalije, kot so pesticidi. Zaradi tega je evolucijsko prilagajanje na ksenobiotike velika skrb, saj lahko škodljivci, kot so žuželke, ki jedo pridelke, razvijejo večjo odpornost na pesticide, ko se manj odporni člani vrste izločajo iz genskega sklada.
Presnova ksenobiotikov je pomembna tudi v medicini, saj je večina zdravil ksenobiotikov. Nekatera zdravila nimajo medicinskega učinka v obliki, ki se dejansko daje bolniku, in postanejo aktivna, ko jih kemično spremeni bolnikova presnova, proces, imenovan bioaktivacija. To se najpogosteje izvede z oksidacijo molekul zdravila in običajno vključuje družino citokroma P450. Vendar pa lahko vključuje tudi druge beljakovine, kot so epoksid hidrolaza, metiltransferaza in n-acetiltransferaza, ki povzročajo kemične spremembe, kot so hidroliza, metilacija oziroma acetilacija. Eden pogostih vzrokov za nevarne interakcije z zdravili je, ko eno zdravilo vpliva na bolnikovo presnovo, kar moti sposobnost telesa, da presnavlja drugo zdravilo, kar omogoča, da se slednje kopiči nepredelano, dokler ne doseže nevarne ravni in zastrupi bolnika.