Biotransformaatio, jota joskus kutsutaan myös aineenvaihdunnaksi, on elimistön entsyymien suorittama kemikaalin rakenteellinen muuttaminen. Kemikaaleja biotransformoituu useissa elimissä, kuten maksassa, munuaisissa, keuhkoissa, ihossa, suolistossa ja istukassa, joista maksa on tärkein. Ruoansulatuskanavasta imeytyneiden kemikaalien on kuljettava maksan läpi, jossa ne voidaan biotransformoida ja siten eliminoida, ennen kuin ne jakautuvat muihin kehon osiin. Tätä ilmiötä kutsutaan ensikierron vaikutukseksi. Tämän seurauksena tiettyjä kemikaaleja jakautuu pienempiä määriä elimistöön suun kautta annettuna kuin muiden altistusreittien, kuten suonensisäisten tai lihaksensisäisten injektioiden, jälkeen. Kemikaalin biotransformaatio helpottaa ensisijaisesti sen erittymistä virtsaan tai sappeen; tietyt kemikaalit kuitenkin biotransformoituvat myrkyllisempiin muotoihin, minkä vuoksi kemikaalien biotransformaatio ei aina ole hyödyllistä.
Eksogeenisten kemikaalien (kemikaalien, joita ei esiinny luonnostaan elimistössä) biotransformaatio tapahtuu yleensä kahdessa vaiheessa. Vaiheessa I eksogeeninen molekyyli muunnetaan lisäämällä siihen funktionaalinen ryhmä, kuten hydroksyyli, karboksyyli tai sulfhydryyli. Tämä modifikaatio mahdollistaa vaiheen II, jossa eksogeeninen molekyyli konjugoituu tai yhdistyy endogeeniseen molekyyliin (elimistössä luonnostaan esiintyvään molekyyliin). Tärkein lopputuote on useimmissa tapauksissa vesiliukoisempi kemikaali, joka erittyy helposti.
Vaiheen I reaktiot voidaan luokitella hapettumiseen, pelkistymiseen tai hydrolyysiin. Hapettumisesta huolehtivat sytokromi P-450 -monooksygenaasit, sekatoimiset amiinioksidaasit sekä alkoholi- ja aldehydidehydrogenaasit. Sytokromi P-450 -monooksigenaasien välittämät reaktiot voivat tehdä kemikaalista vähemmän tai enemmän myrkyllisen. Sytokromi P-450 -entsyymit voivat esimerkiksi tuottaa joidenkin kemikaalien epoksideja, jotka ovat hyvin reaktiivisia ja voivat hyökätä tärkeisiin solumolekyyleihin, kuten DNA:han. Muut vaiheen I hapettavat entsyymit vaikuttavat kapeaan valikoimaan substraatteja.
Kemikaalin hapettamisen lisäksi sytokromi P-450 -monooksygenaasit voivat katalysoida pelkistämistä. Toinen ryhmä entsyymejä, jotka voivat suorittaa pelkistämistä, ovat aldehydi/ketonireduktaasit. Kukin kolmesta hydrolyyttisten entsyymien ryhmästä (vastaavasti epoksidihydrolaasit, esteraasit ja amidaasit) synnyttää aineenvaihduntatuotteita, joilla on hydroksyyli-, karboksyyli- tai aminofunktionaalinen ryhmä.
Vaiheen II reaktioissa muuttunut eksogeeninen kemikaali sitoutuu endogeenisen molekyylin kanssa, mikä johtaa lopputuotteen (konjugaatin) muodostumiseen, joka on tavallisesti paljon helppoliukoisempi ja helpommin erittyvämpi kuin kantakemikaali. On olemassa neljänlaisia kantayhdisteitä, joiden erittymistä voidaan tehostaa konjugaatiolla: glukuronihappo, glutationi, aminohapot tai sulfaatti. Kaksi ensimmäistä tyyppiä ovat yleisimpiä faasi II -reaktioita.
Glukuronihapon konjugointi hydroksyyli-, karboksyyli-, amino- tai sulfhydryyliryhmän kanssa johtaa happi-, typpi- tai rikkiglukuronidien muodostumiseen, jotka erittyvät helpommin kuin glukuronihappo, koska ne ovat vesiliukoisempia ja koska ne sisältävät karboksyyliryhmän. Myös konjugointi glutationin kanssa tehostaa erittymistä. Glutationikonjugaatio tuottaa glutationikonjugaatteja ja merkaptuurihappojohdannaisia, jotka erittyvät maksaan, munuaisiin tai molempiin.
Kaksi konjugaatiotyyppiä, asetylaatiot ja metylaatio, eivät tehosta emokemikaalin erittymistä. Asetylaatio ja metylaatio vähentävät emokemikaalin vesiliukoisuutta ja peittävät emokemikaalin funktionaalisen ryhmän, mikä estää näitä funktionaalisia ryhmiä osallistumasta konjugaatioihin, jotka lisäävät niiden erittymistä. Asetylointi vaikuttaa kemikaaleihin, joissa on aminoryhmä, ja saattaa tehdä niistä vähemmän myrkyllisiä. Kemikaalit, joissa on amino-, hydroksyyli- tai sulfhydryyliryhmä, voidaan metyloida. Metylaatio ei ole yhtä tärkeä biotransformaatioreitti eksogeenisille kemikaaleille kuin endogeenisille kemikaaleille.