A biotranszformáció, néha metabolizmusnak is nevezik, egy vegyi anyag enzimek általi szerkezeti átalakítása a szervezetben. A vegyi anyagok biotranszformációja több szervben történik, többek között a májban, a vesében, a tüdőben, a bőrben, a belekben és a méhlepényben, a máj a legfontosabb. A gyomor-bélrendszerben felszívódó vegyi anyagoknak át kell haladniuk a májon, ahol biotranszformálódnak és így kiürülnek, mielőtt a szervezet más részeibe jutnának. Ezt a jelenséget first-pass hatásnak nevezik. Ennek eredményeként bizonyos vegyi anyagok kisebb mennyiségben oszlanak el a szervezetben a szájon át történő beadást követően, mint más expozíciós módok, például intravénás vagy intramuszkuláris injekciók után. Egy vegyi anyag biotranszformációja elsősorban megkönnyíti annak kiválasztását a vizelettel vagy az epével; bizonyos vegyi anyagok azonban biotranszformálódnak toxikusabb formákká, és ennek következtében a vegyi anyagok biotranszformációja nem mindig előnyös.
Az exogén vegyi anyagok (a szervezetben természetesen nem előforduló vegyi anyagok) biotranszformációja általában két fázisban történik. Az I. fázisban az exogén molekulát egy funkciós csoport, például hidroxil, karboxil vagy szulfhidril hozzáadásával módosítják. Ez a módosítás teszi lehetővé a II. fázist, az exogén molekulának egy endogén (a szervezetben természetesen megtalálható) molekulával való konjugálását vagy összekapcsolódását. A fő végtermék a legtöbb esetben egy vízben jobban oldódó kémiai anyag, amely könnyen kiválasztódik.
Az I. fázis reakciói az oxidáció, a redukció vagy a hidrolízis kategóriájába sorolhatók. Az oxidációt a citokróm P-450 monooxigenázok, a vegyes funkciójú amino-oxidázok, valamint az alkohol- és aldehid-dehidrogenázok végzik. A citokróm P-450 monooxigenázok által közvetített reakciók kevésbé vagy jobban mérgezővé tehetik a vegyi anyagot. A citokróm P-450 enzimek például egyes vegyi anyagokból epoxidokat állíthatnak elő, amelyek nagyon reaktívak, és fontos sejtmolekulákat, például a DNS-t támadhatják meg. A többi I. fázisú oxidatív enzim a szubsztrátok szűk körére hat.
A vegyi anyag oxidációja mellett a citokróm P-450 monooxigenázok katalizálhatják a redukciót is. Az enzimek másik csoportja, amely redukciót végezhet, az aldehid/keton reduktázok. A hidrolitikus enzimek három csoportjának (epoxid-hidrolázok, észterázok, illetve amidázok) mindegyike hidroxil-, karboxil- vagy aminofunkciós csoporttal rendelkező metabolitokat hoz létre.
A II. fázisú reakciókban egy megváltozott exogén vegyület kötődik egy endogén molekulához, ami egy végtermék (a konjugátum) kialakulásához vezet, amely általában sokkal jobban oldódik vízben és könnyebben ürül, mint az alapvegyület. Négyféle anyavegyület létezik, amelyek kiválasztása konjugációval fokozható: glükuronsav, glutation, aminosavak vagy szulfát. Az első két típus a leggyakoribb II. fázis reakciók.
A glükuronsav konjugálása hidroxil-, karboxil-, amino- vagy szulfhidrilcsoporttal oxigén-, nitrogén- vagy kénglükuronidok képződéséhez vezet, amelyek könnyebben ürülnek, mint a glükuronsav, mert jobban oldódnak vízben, és mert tartalmaznak egy karboxilcsoportot. A glutationnal való konjugáció szintén fokozza a kiválasztást. A glutationkonjugáció glutationkonjugátumokat és merkapturonsav-származékokat eredményez, amelyeket a máj, a vese vagy mindkettő kiválaszt.
A konjugációk két típusa, az acetilálás és a metilálás nem fokozza az alapkémiai anyag kiválasztását. Az acetilálás és a metilálás csökkenti az alapkémiai anyag vízoldékonyságát és elfedik az alapkémiai anyag funkciós csoportját, megakadályozva, hogy ezek a funkciós csoportok részt vegyenek a kiválasztást fokozó konjugációkban. Az acetilálás az aminocsoporttal rendelkező vegyi anyagokra hat, és kevésbé toxikussá teheti őket. Az amino-, hidroxil- vagy szulfhidrilcsoporttal rendelkező vegyi anyagok metilálhatók. A metiláció nem olyan fontos biotranszformációs útvonal az exogén vegyi anyagok esetében, mint az endogén vegyi anyagok esetében.