La biotransformación, a veces denominada metabolismo, es la modificación estructural de una sustancia química por parte de las enzimas del organismo. Las sustancias químicas se biotransforman en varios órganos, como el hígado, los riñones, los pulmones, la piel, los intestinos y la placenta, siendo el hígado el más importante. Las sustancias químicas absorbidas en el tracto gastrointestinal deben pasar por el hígado, donde pueden ser biotransformadas y, por tanto, eliminadas antes de ser distribuidas a otras partes del cuerpo. Este fenómeno se conoce como efecto de primer paso. En consecuencia, tras la administración oral se distribuyen por el organismo cantidades menores de determinadas sustancias químicas que tras otras vías de exposición, como las inyecciones intravenosas o intramusculares. La biotransformación de una sustancia química facilita principalmente su excreción en la orina o la bilis; sin embargo, ciertas sustancias químicas se biotransforman en formas más tóxicas y, como resultado, la biotransformación de las sustancias químicas no siempre es beneficiosa.
La biotransformación de las sustancias químicas exógenas (sustancias químicas que no se encuentran de forma natural en el organismo) suele producirse en dos fases. En la fase I, una molécula exógena se modifica mediante la adición de un grupo funcional como un hidroxilo, un carboxilo o un sulfhidrilo. Esta modificación permite que tenga lugar la fase II, la conjugación o unión de la molécula exógena con una molécula endógena (que se encuentra de forma natural en el organismo). El principal producto final en la mayoría de los casos es una sustancia química más soluble en agua que se excreta fácilmente.
Las reacciones de la fase I pueden clasificarse como oxidación, reducción o hidrólisis. La oxidación la llevan a cabo las monooxigenasas del citocromo P-450, las aminooxidasas de función mixta y las alcohol y aldehído deshidrogenasas. Las reacciones mediadas por las monooxigenasas del citocromo P-450 pueden hacer que la sustancia química sea menos o más tóxica. Las enzimas del citocromo P-450 pueden, por ejemplo, producir epóxidos de algunas sustancias químicas, que son muy reactivas y pueden atacar moléculas celulares importantes, como el ADN. Las restantes enzimas oxidativas de fase I actúan sobre una estrecha gama de sustratos.
Además de la oxidación de una sustancia química, las monooxigenasas del citocromo P-450 pueden catalizar la reducción. Otro grupo de enzimas que pueden llevar a cabo la reducción son las aldehído/cetona reductasas. Cada uno de los tres grupos de enzimas hidrolíticas (epóxido hidrolasas, esterasas y amidasas, respectivamente) crea metabolitos con un grupo funcional hidroxilo, carboxilo o amino.
En las reacciones de fase II, una sustancia química exógena alterada se une a una molécula endógena, lo que conduce a la formación de un producto final (el conjugado), que suele ser mucho más soluble en agua y fácil de excretar que la sustancia química madre. Existen cuatro tipos de compuestos parentales cuya excreción puede verse favorecida por la conjugación: el ácido glucurónico, el glutatión, los aminoácidos o el sulfato. Los dos primeros tipos son las reacciones de fase II más comunes.
La conjugación del ácido glucurónico con un grupo hidroxilo, carboxilo, amino o sulfhidrilo conduce a la formación de glucurónidos de oxígeno, nitrógeno o azufre, que se excretan más fácilmente que el ácido glucurónico porque son más solubles en agua y porque contienen un grupo carboxilo. La conjugación con el glutatión también mejora la excreción. La conjugación con el glutatión produce conjugados de glutatión y derivados del ácido mercaptúrico, que son excretados por el hígado, el riñón o ambos.
Dos tipos de conjugaciones, la acetilación y la metilación, no mejoran la excreción de la sustancia química original. La acetilación y la metilación disminuyen la solubilidad en agua de la sustancia química madre y enmascaran el grupo funcional de la misma, impidiendo que estos grupos funcionales participen en las conjugaciones que aumentan su excreción. La acetilación actúa sobre las sustancias químicas con un grupo amino y puede hacerlas menos tóxicas. Las sustancias químicas con un grupo amino, hidroxilo o sulfhidrilo pueden ser metiladas. La metilación no es una vía de biotransformación tan importante para las sustancias químicas exógenas como lo es para las endógenas.