Biotransformation, undertiden omtalt som metabolisme, er den strukturelle ændring af et kemisk stof ved hjælp af enzymer i kroppen. Kemikalier biotransformeres i flere organer, herunder leveren, nyrerne, lungerne, huden, tarmene og moderkagen, med leveren som det vigtigste organ. Kemikalier, der optages i mave-tarmkanalen, skal passere gennem leveren, hvor de kan biotransformeres og dermed elimineres, inden de fordeles til andre dele af kroppen. Dette fænomen er kendt som first-pass-effekten. Som følge heraf fordeles mindre mængder af visse kemikalier i hele kroppen efter oral indgift end efter andre eksponeringsveje, f.eks. intravenøse eller intramuskulære injektioner. Biotransformation af et kemikalie letter primært dets udskillelse i urin eller galde; visse kemikalier biotransformeres dog til mere giftige former, og som følge heraf er biotransformation af kemikalier ikke altid gavnlig.
Biotransformation af eksogene kemikalier (kemikalier, der ikke findes naturligt i kroppen) sker generelt i to faser. I fase I modificeres et eksogent molekyle ved tilføjelse af en funktionel gruppe som f.eks. en hydroxyl-, en carboxyl- eller en sulfhydrylgruppe. Denne modifikation gør det muligt at gennemføre fase II, dvs. konjugering eller sammenføjning af det eksogene molekyle med et endogent molekyle (et molekyle, der findes naturligt i kroppen). Det vigtigste slutprodukt er i de fleste tilfælde et mere vandopløseligt kemikalie, der let udskilles.
Fase I-reaktioner kan klassificeres som oxidation, reduktion eller hydrolyse. Oxidation udføres af cytochrom P-450 monooxygenaser, blandingsfunktionelle aminoxidaser og alkohol- og aldehyddehydrogenaser. De reaktioner, der formidles af cytochrom P-450 monooxygenaser, kan gøre kemikaliet mindre eller mere giftigt. Cytokrom P-450-enzymerne kan f.eks. producere epoxider af visse kemikalier, som er meget reaktive og kan angribe vigtige cellulære molekyler som f.eks. DNA. De resterende fase I-oxidative enzymer virker på et snævert udvalg af substrater.
Foruden oxidation af et kemikalie kan cytokrom P-450-monooxygenaser katalysere reduktion. En anden gruppe af enzymer, der kan foretage reduktion, er aldehyd/ketonreduktaser. Hver af de tre grupper af hydrolytiske enzymer (henholdsvis epoxidhydrolaser, esteraser og amidaser) skaber metabolitter med en hydroxyl-, carboxyl- eller aminofunktionel gruppe.
I fase II-reaktioner binder et ændret eksogent kemikalie sig til et endogent molekyle, hvilket fører til dannelse af et slutprodukt (konjugatet), som normalt er meget mere vandopløseligt og lettere udskilles end moderkemikaliet. Der findes fire typer af moderforbindelser, hvis udskillelse kan forbedres ved konjugering: glucuronsyre, glutathion, aminosyrer eller sulfat. De to første typer er de mest almindelige fase II-reaktioner.
Konjugering af glucuronsyre med en hydroxyl-, carboxyl-, amino- eller sulfhydrylgruppe fører til dannelse af oxygen-, nitrogen- eller svovlglucuronider, som er lettere udskilles end glucuronsyre, fordi de er mere vandopløselige, og fordi de indeholder en carboxylgruppe. Konjugering med glutathion forbedrer også udskillelsen. Glutathionkonjugering giver glutathionkonjugater og mercaptursyrederivater, som udskilles af leveren, nyrerne eller begge dele.
To typer konjugeringer, acetylering og methylering, øger ikke udskillelsen af moderstoffet. Acetylering og methylering nedsætter moderkemikaliets vandopløselighed og maskerer moderkemikaliets funktionelle gruppe, hvilket forhindrer disse funktionelle grupper i at deltage i konjugationer, der øger deres udskillelse. Acetylering virker på kemikalier med en aminogruppe og kan gøre dem mindre giftige. Kemikalier med en amino-, hydroxyl- eller sulfhydrylgruppe kan methyleres. Methylering er ikke en lige så vigtig biotransformationsvej for eksogene kemikalier som for endogene kemikalier.