Biotransformarea, denumită uneori și metabolism, este modificarea structurală a unei substanțe chimice de către enzimele din organism. Substanțele chimice sunt biotransformate în mai multe organe, printre care ficatul, rinichii, plămânii, pielea, intestinele și placenta, ficatul fiind cel mai important. Substanțele chimice absorbite în tractul gastrointestinal trebuie să treacă prin ficat, unde pot fi biotransformate și astfel eliminate înainte de a fi distribuite în alte părți ale corpului. Acest fenomen este cunoscut sub numele de efect de primă trecere. Ca urmare, cantități mai mici de anumite substanțe chimice sunt distribuite în organism după administrarea orală decât după alte căi de expunere, cum ar fi injecțiile intravenoase sau intramusculare. Biotransformarea unei substanțe chimice facilitează în primul rând excreția acesteia în urină sau în bilă; cu toate acestea, anumite substanțe chimice sunt biotransformate în forme mai toxice și, ca urmare, biotransformarea substanțelor chimice nu este întotdeauna benefică.
Biotransformarea substanțelor chimice exogene (substanțe chimice care nu se găsesc în mod natural în organism) are loc, în general, în două faze. În faza I, o moleculă exogenă este modificată prin adăugarea unei grupe funcționale, cum ar fi un hidroxil, un carboxil sau un sulfhidril. Această modificare permite ca faza a II-a, conjugarea sau îmbinarea moleculei exogene cu o moleculă endogenă (una care se găsește în mod natural în organism), să aibă loc. Produsul final major în majoritatea cazurilor este o substanță chimică mai solubilă în apă, care este ușor de excretat.
Reacțiile de fază I pot fi clasificate ca fiind de oxidare, reducere sau hidroliză. Oxidarea este realizată de către citocromul P-450 monooxigenaza, aminele oxidaze cu funcție mixtă și alcool și aldehide dehidrogenaze. Reacțiile mediate de citocromul P-450 monooxigenazele pot face ca substanța chimică să fie mai puțin toxică sau mai toxică. Enzimele citocromului P-450 pot produce, de exemplu, epoxizi ai unor substanțe chimice, care sunt foarte reactive și pot ataca molecule celulare importante, cum ar fi ADN-ul. Restul enzimelor oxidative de fază I acționează asupra unei game înguste de substraturi.
În plus față de oxidarea unei substanțe chimice, citocromul P-450 monooxigenazele pot cataliza reducerea. Un alt grup de enzime care poate efectua reducerea este cel al aldehidelor/cetonelor reductaze. Fiecare dintre cele trei grupuri de enzime hidrolitice (epoxid hidrolaze, esteraze și, respectiv, amidaze) creează metaboliți cu o grupare funcțională hidroxil, carboxil sau amino.
În reacțiile de fază II o substanță chimică exogenă modificată se leagă cu o moleculă endogenă, ducând la formarea unui produs final (conjugatul), care este de obicei mult mai solubil în apă și ușor de excretat decât substanța chimică mamă. Există patru tipuri de compuși părinți a căror excreție poate fi îmbunătățită prin conjugare: acid glucuronic, glutation, aminoacizi sau sulfat. Primele două tipuri sunt cele mai frecvente reacții de fază II.
Conjugarea acidului glucuronic cu o grupare hidroxil, carboxil, amino sau sulfhidril conduce la formarea de glucuronide de oxigen, azot sau sulf, care sunt mai ușor de excretat decât acidul glucuronic, deoarece sunt mai solubile în apă și deoarece conțin o grupare carboxil. Conjugarea cu glutationul îmbunătățește, de asemenea, excreția. Conjugarea cu glutationul produce conjugați ai glutationului și derivați ai acidului mercapturic, care sunt excretați de ficat, rinichi sau ambii.
Două tipuri de conjugări, acetilațiile și metilarea, nu îmbunătățesc excreția substanței chimice parentale. Acetilarea și metilarea scad solubilitatea în apă a substanței chimice parentale și maschează grupa funcțională a substanței chimice parentale, împiedicând aceste grupe funcționale să participe la conjugări care le sporesc excreția. Acetilarea acționează asupra substanțelor chimice cu o grupare amino și le poate face mai puțin toxice. Substanțele chimice cu o grupare amino, hidroxil sau sulfhidrilă pot fi metilate. Metilarea nu este o cale de biotransformare la fel de importantă pentru substanțele chimice exogene ca și pentru substanțele chimice endogene.
.