Biotransformação, por vezes referida como metabolismo, é a modificação estrutural de uma substância química pelas enzimas do organismo. Os químicos são biotransformados em vários órgãos, incluindo o fígado, rins, pulmões, pele, intestinos e placenta, sendo o fígado o mais importante. Os químicos absorvidos no trato gastrointestinal devem passar pelo fígado, onde podem ser biotransformados e assim eliminados antes de serem distribuídos para outras partes do corpo. Este fenómeno é conhecido como o efeito first-pass. Como resultado, quantidades menores de certos químicos são distribuídas por todo o corpo após a administração oral do que após outras vias de exposição, como injeções intravenosas ou intramusculares. A biotransformação de um químico facilita principalmente a sua excreção para a urina ou bílis; no entanto, certos químicos são biotransformados em formas mais tóxicas e, como resultado, a biotransformação de químicos nem sempre é benéfica.
Biotransformação de químicos exógenos (químicos que não são naturalmente encontrados no corpo) geralmente ocorre em duas fases. Na fase I, uma molécula exógena é modificada pela adição de um grupo funcional como um hidroxil, um carboxil, ou um sulfidrílico. Esta modificação permite que a fase II, a conjugação, ou união da molécula exógena com uma molécula endógena (uma naturalmente encontrada no corpo), ocorra. O produto final principal na maioria dos casos é um químico mais solúvel em água que é facilmente excretado.
Reações da fase I podem ser classificadas como oxidação, redução, ou hidrólise. A oxidação é realizada pelo citocromo P-450 monooxigenases, aminas oxidases de função mista, e álcool e aldeído desidrogenase. As reacções mediadas pelo citocromo P-450 monooxigenases podem tornar o produto químico menos tóxico ou mais tóxico. As enzimas do citocromo P-450 podem, por exemplo, produzir epóxidos de algumas substâncias químicas, que são muito reactivas e podem atacar moléculas celulares importantes, como o ADN. As restantes enzimas oxidantes da fase I actuam numa estreita gama de substratos.
Além da oxidação de uma substância química, o citocromo P-450 monooxigenases pode catalisar a redução. Outro grupo de enzimas que pode realizar a redução é o aldeído/cetonas redutoras. Cada um dos três grupos de enzimas hidrolíticas (hidrolases epóxidas, esterases e amidases, respectivamente) cria metabolitos com um grupo hidroxil, carboxil ou amino funcional.
Em reações de fase II uma substância química exógena alterada liga-se com uma molécula endógena, levando à formação de um produto final (o conjugado), que geralmente é muito mais solúvel em água e facilmente excretado do que a substância química mãe. Existem quatro tipos de compostos parentais cuja excreção pode ser aumentada pela conjugação: ácido glucurônico, glutationa, aminoácidos, ou sulfato. Os dois primeiros tipos são as reações mais comuns de fase II.
Conjugação de ácido glucurônico com um grupo hidroxil, carboxil, amino ou sulfidrílico leva à formação de oxigênio, nitrogênio ou glucuronídeos sulfurados, que são mais facilmente excretados que o ácido glucurônico porque são mais solúveis em água e porque contêm um grupo carboxil. A conjugação com o glutatião também melhora a excreção. A conjugação com glutationa produz conjugados de glutationa e derivados de ácido mercaptúrico, que são excretados pelo fígado, rim, ou ambos.
Dois tipos de conjugações, acetilações e metilações, não aumentam a excreção do químico pai. A acetilação e a metilação diminuem a solubilidade da água da substância química mãe e mascaram o grupo funcional da substância química mãe, impedindo que esses grupos funcionais participem de conjugações que aumentem a sua excreção. A acetilação atua sobre produtos químicos com um grupo aminoquímico e pode torná-los menos tóxicos. Os produtos químicos com um grupo amino, hidroxila ou sulfidrila podem ser metilados. A metilação não é uma via de biotransformação tão importante para produtos químicos exógenos quanto para produtos químicos endógenos.