Biotransformace, někdy označovaná jako metabolismus, je strukturní úprava chemické látky enzymy v těle. Chemické látky se biotransformují v několika orgánech, včetně jater, ledvin, plic, kůže, střev a placenty, přičemž nejdůležitější jsou játra. Chemické látky vstřebané v gastrointestinálním traktu musí projít játry, kde mohou být biotransformovány, a tím vyloučeny, než jsou distribuovány do dalších částí těla. Tento jev je znám jako first-pass efekt. V důsledku toho se po perorálním podání distribuuje do celého těla menší množství určitých chemických látek než po jiných způsobech expozice, například po intravenózní nebo intramuskulární injekci. Biotransformace chemické látky primárně usnadňuje její vylučování do moči nebo žluči; některé chemické látky se však biotransformují do toxičtějších forem, a proto není biotransformace chemických látek vždy prospěšná.
Biotransformace exogenních chemických látek (chemických látek, které se v těle přirozeně nevyskytují) obecně probíhá ve dvou fázích. Ve fázi I je exogenní molekula modifikována přidáním funkční skupiny, jako je hydroxyl, karboxyl nebo sulfhydryl. Tato modifikace umožňuje, aby proběhla fáze II, konjugace nebo spojení exogenní molekuly s endogenní molekulou (která se přirozeně nachází v těle). Hlavním konečným produktem je ve většině případů chemická látka lépe rozpustná ve vodě, která se snadno vylučuje.
Reakce fáze I lze klasifikovat jako oxidaci, redukci nebo hydrolýzu. Oxidaci provádějí monooxygenázy cytochromu P-450, aminoxidázy se smíšenou funkcí a alkoholové a aldehydové dehydrogenázy. Reakce zprostředkované monooxygenázami cytochromu P-450 mohou chemickou látku učinit méně toxickou nebo více toxickou. Enzymy cytochromu P-450 mohou například vytvářet epoxidy některých chemických látek, které jsou velmi reaktivní a mohou napadat důležité buněčné molekuly, například DNA. Zbývající oxidační enzymy fáze I působí na úzký okruh substrátů.
Kromě oxidace chemické látky mohou monooxygenázy cytochromu P-450 katalyzovat její redukci. Další skupinou enzymů, které mohou provádět redukci, jsou aldehyd/ketonreduktázy. Každá ze tří skupin hydrolytických enzymů (epoxidhydrolázy, esterázy, respektive amidázy) vytváří metabolity s hydroxylovou, karboxylovou nebo aminoskupinou.
V reakcích fáze II se změněná exogenní chemická látka váže s endogenní molekulou, což vede ke vzniku konečného produktu (konjugátu), který je obvykle mnohem lépe rozpustný ve vodě a snadno se vylučuje než výchozí chemická látka. Existují čtyři typy mateřských sloučenin, jejichž vylučování může být zvýšeno konjugací: kyselina glukuronová, glutathion, aminokyseliny nebo sulfát. První dva typy jsou nejčastějšími reakcemi fáze II.
Konjugace kyseliny glukuronové s hydroxylovou, karboxylovou, aminoskupinou nebo sulfhydrylovou skupinou vede ke vzniku kyslíkových, dusíkových nebo sirných glukuronidů, které se vylučují snadněji než kyselina glukuronová, protože jsou rozpustnější ve vodě a protože obsahují karboxylovou skupinu. Konjugace s glutathionem rovněž zvyšuje vylučování. Konjugací s glutathionem vznikají konjugáty glutathionu a deriváty kyseliny merkapturové, které jsou vylučovány játry, ledvinami nebo obojím.
Dva typy konjugací, acetylace a metylace, nezvyšují vylučování výchozí chemické látky. Acetylace a methylace snižují rozpustnost výchozí chemické látky ve vodě a maskují funkční skupinu výchozí chemické látky, čímž zabraňují účasti těchto funkčních skupin na konjugaci, která zvyšuje jejich vylučování. Acetylace působí na chemické látky s aminoskupinou a může je učinit méně toxickými. Chemické látky s aminoskupinou, hydroxylovou nebo sulfhydrylovou skupinou mohou být metylovány. Metylace není tak důležitou cestou biotransformace pro exogenní chemické látky jako pro endogenní chemické látky
.