Biotransformacja, czasami określana jako metabolizm, jest strukturalną modyfikacją substancji chemicznej przez enzymy w organizmie. Substancje chemiczne ulegają biotransformacji w kilku narządach, w tym w wątrobie, nerkach, płucach, skórze, jelitach i łożysku, przy czym wątroba jest najważniejsza. Substancje chemiczne wchłonięte w przewodzie pokarmowym muszą przejść przez wątrobę, gdzie mogą zostać poddane biotransformacji i w ten sposób wyeliminowane, zanim zostaną rozprowadzone do innych części ciała. Zjawisko to znane jest jako efekt pierwszego przejścia. W rezultacie, mniejsze ilości niektórych substancji chemicznych są rozprowadzane w organizmie po podaniu doustnym niż po innych drogach narażenia, takich jak zastrzyki dożylne lub domięśniowe. Biotransformacja substancji chemicznej przede wszystkim ułatwia jej wydalanie z moczem lub żółcią; jednak niektóre substancje chemiczne ulegają biotransformacji do form bardziej toksycznych, w związku z czym biotransformacja substancji chemicznych nie zawsze jest korzystna.
Biotransformacja egzogennych substancji chemicznych (substancji chemicznych, które nie występują naturalnie w organizmie) zachodzi na ogół w dwóch fazach. W fazie I, egzogenna cząsteczka jest modyfikowana przez dodanie grupy funkcyjnej, takiej jak hydroksyl, karboksyl, lub sulfhydryl. Ta modyfikacja umożliwia fazę II, koniugację lub połączenie egzogennej cząsteczki z cząsteczką endogenną (taką, która naturalnie znajduje się w organizmie). Głównym produktem końcowym w większości przypadków jest bardziej rozpuszczalna w wodzie substancja chemiczna, która jest łatwo wydalana.
Reakcje fazy I mogą być klasyfikowane jako utlenianie, redukcja lub hydroliza. Utlenianie jest przeprowadzane przez monooksygenazy cytochromu P-450, oksydazy aminowe o mieszanej funkcji oraz dehydrogenazy alkoholowe i aldehydowe. Reakcje, w których pośredniczą monooksygenazy cytochromu P-450, mogą uczynić substancję chemiczną mniej lub bardziej toksyczną. Enzymy cytochromu P-450 mogą na przykład wytwarzać epoksydy niektórych związków chemicznych, które są bardzo reaktywne i mogą atakować ważne cząsteczki komórkowe, takie jak DNA. Pozostałe enzymy oksydacyjne fazy I działają na wąski zakres substratów.
Oprócz utleniania substancji chemicznej, monooksygenazy cytochromu P-450 mogą katalizować redukcję. Inną grupą enzymów, które mogą przeprowadzać redukcję są reduktazy aldehydowe/ketonowe. Każda z trzech grup enzymów hydrolitycznych (odpowiednio hydrolazy epoksydowe, esterazy i amidazy) tworzy metabolity z hydroksylową, karboksylową lub aminową grupą funkcyjną.
W reakcjach fazy II zmieniony egzogenny związek chemiczny łączy się z cząsteczką endogenną, prowadząc do powstania produktu końcowego (koniugatu), który jest zwykle znacznie lepiej rozpuszczalny w wodzie i łatwiej wydalany niż macierzysty związek chemiczny. Istnieją cztery rodzaje związków macierzystych, których wydalanie może być zwiększone przez koniugację: kwas glukuronowy, glutation, aminokwasy lub siarczany. Pierwsze dwa typy są najczęstszymi reakcjami fazy II.
Koniugacja kwasu glukuronowego z grupą hydroksylową, karboksylową, aminową lub sulfhydrylową prowadzi do powstania glukuronidów tlenu, azotu lub siarki, które są łatwiej wydalane niż kwas glukuronowy, ponieważ są bardziej rozpuszczalne w wodzie i zawierają grupę karboksylową. Koniugacja z glutationem również zwiększa wydalanie. Koniugacja z glutationem daje koniugaty glutationu i pochodne kwasu merkapturowego, które są wydalane przez wątrobę, nerki lub oba.
Dwa rodzaje koniugacji, acetylacja i metylacja, nie zwiększają wydalania macierzystej substancji chemicznej. Acetylacja i metylacja zmniejszają rozpuszczalność w wodzie macierzystej substancji chemicznej i maskują grupę funkcyjną macierzystej substancji chemicznej, uniemożliwiając tym grupom funkcyjnym udział w koniugacjach, które zwiększają ich wydalanie. Acetylacja działa na związki chemiczne z grupą aminową i może uczynić je mniej toksycznymi. Związki chemiczne z grupą aminową, hydroksylową lub sulfhydrylową mogą być metylowane. Metylacja nie jest tak ważną drogą biotransformacji dla egzogennych związków chemicznych, jak dla endogennych.
.