Biotransformatie, soms ook metabolisme genoemd, is de structurele verandering van een chemische stof door enzymen in het lichaam. Chemicaliën worden in verschillende organen in biotransformatie omgezet, waaronder de lever, de nieren, de longen, de huid, de darmen en de placenta, waarbij de lever het belangrijkst is. Chemische stoffen die in het maagdarmkanaal worden opgenomen, moeten door de lever, waar ze worden omgezet en geëlimineerd voordat ze naar andere delen van het lichaam worden verspreid. Dit verschijnsel staat bekend als het first-pass effect. Als gevolg hiervan worden na orale toediening kleinere hoeveelheden van bepaalde chemische stoffen door het lichaam verspreid dan na andere blootstellingsroutes, zoals intraveneuze of intramusculaire injecties. Biotransformatie van een chemische stof vergemakkelijkt in de eerste plaats de uitscheiding ervan in de urine of de gal; bepaalde chemische stoffen worden echter in meer toxische vormen gebiotransformeerd en als gevolg daarvan is biotransformatie van chemische stoffen niet altijd gunstig.
Biotransformatie van exogene chemische stoffen (chemische stoffen die niet van nature in het lichaam voorkomen) vindt in het algemeen in twee fasen plaats. In fase I wordt een exogeen molecuul gewijzigd door toevoeging van een functionele groep, zoals een hydroxyl-, een carboxyl-, of een sulfhydrylgroep. Door deze modificatie kan fase II, de conjugatie of verbinding van het exogene molecuul met een endogeen molecuul (een molecuul dat van nature in het lichaam voorkomt), plaatsvinden. Het belangrijkste eindproduct is in de meeste gevallen een beter in water oplosbare chemische stof die gemakkelijk wordt uitgescheiden.
Fase I reacties kunnen worden geclassificeerd als oxidatie, reductie, of hydrolyse. Oxidatie wordt uitgevoerd door cytochroom P-450 mono-oxygenasen, amine-oxidasen met gemengde functie, en alcohol- en aldehyde-dehydrogenasen. De door cytochroom P-450 mono-oxygenasen gemedieerde reacties kunnen de chemische stof minder giftig of giftiger maken. De cytochroom P-450-enzymen kunnen bijvoorbeeld epoxiden van sommige chemische stoffen produceren, die zeer reactief zijn en belangrijke celmoleculen, zoals DNA, kunnen aantasten. De overige fase I-oxidatieve enzymen werken op een smal scala van substraten.
Naast de oxidatie van een chemische stof kunnen cytochroom P-450 monooxygenasen ook de reductie katalyseren. Een andere groep enzymen die reductie kan uitvoeren zijn de aldehyde/ketonreductases. Elk van de drie groepen hydrolytische enzymen (respectievelijk epoxidehydrolasen, esterasen en amidasen) creëert metabolieten met een hydroxyl-, carboxyl- of aminofunctiegroep.
In fase II-reacties bindt een veranderde exogene chemische stof zich met een endogeen molecuul, wat leidt tot de vorming van een eindproduct (het conjugaat), dat gewoonlijk veel beter oplosbaar is in water en gemakkelijk wordt uitgescheiden dan de oorspronkelijke chemische stof. Er zijn vier soorten moederverbindingen waarvan de uitscheiding door conjugatie kan worden verbeterd: glucuronzuur, glutathion, aminozuren of sulfaat. De eerste twee typen zijn de meest voorkomende fase II reacties.
Conjugatie van glucuronzuur met een hydroxyl-, carboxyl-, amino-, of sulfhydrylgroep leidt tot de vorming van zuurstof-, stikstof-, of zwavel-glucuroniden, die gemakkelijker worden uitgescheiden dan glucuronzuur omdat ze beter oplosbaar zijn in water en omdat ze een carboxylgroep bevatten. Conjugatie met glutathion bevordert ook de uitscheiding. Glutathionconjugatie levert glutathionconjugaten en mercaptuurzuurderivaten op, die door de lever, de nieren of beide worden uitgescheiden.
Twee soorten conjugaties, acetyleringen en methylering, verbeteren de uitscheiding van de oorspronkelijke chemische stof niet. Acetylering en methylering verminderen de oplosbaarheid in water van de oorspronkelijke chemische stof en maskeren de functionele groep van de oorspronkelijke chemische stof, waardoor deze functionele groepen niet kunnen deelnemen aan conjugaties die de uitscheiding verhogen. Acetylering werkt in op chemische stoffen met een aminogroep en kan deze minder toxisch maken. Chemische stoffen met een amino-, hydroxyl- of sulfhydrylgroep kunnen worden gemethyleerd. Methylering is voor exogene chemicaliën niet zo’n belangrijke biotransformatieroute als voor endogene chemicaliën.