Biotransformation, ibland kallad metabolism, är den strukturella förändringen av en kemikalie genom enzymer i kroppen. Kemikalier biotransformeras i flera organ, bland annat i levern, njurarna, lungorna, huden, tarmarna och moderkakan, där levern är det viktigaste. Kemikalier som absorberas i mag-tarmkanalen måste passera genom levern, där de kan biotransformeras och därmed elimineras innan de distribueras till andra delar av kroppen. Detta fenomen är känt som first-pass-effekten. Därför fördelas mindre mängder av vissa kemikalier i kroppen efter oral administrering än efter andra exponeringsvägar, t.ex. intravenösa eller intramuskulära injektioner. Biotransformation av en kemikalie underlättar i första hand dess utsöndring i urin eller galla; vissa kemikalier biotransformeras dock till mer toxiska former och därför är biotransformation av kemikalier inte alltid fördelaktigt.
Biotransformation av exogena kemikalier (kemikalier som inte finns naturligt i kroppen) sker i allmänhet i två faser. I fas I modifieras en exogen molekyl genom tillsats av en funktionell grupp, t.ex. en hydroxyl-, en karboxyl- eller en sulfhydrylgrupp. Denna modifiering gör det möjligt att genomföra fas II, konjugering eller sammanfogning av den exogena molekylen med en endogen molekyl (en molekyl som finns naturligt i kroppen). Den viktigaste slutprodukten är i de flesta fall en mer vattenlöslig kemikalie som lätt utsöndras.
Fas I-reaktioner kan klassificeras som oxidation, reduktion eller hydrolys. Oxidation utförs av cytokrom P-450 monooxygenaser, aminoxidaser med blandad funktion samt alkohol- och aldehyddehydrogenaser. De reaktioner som förmedlas av cytokrom P-450 monooxygenaser kan göra kemikalien mindre giftig eller mer giftig. Cytokrom P-450-enzymerna kan till exempel producera epoxider av vissa kemikalier, som är mycket reaktiva och kan angripa viktiga cellmolekyler, till exempel DNA. De övriga oxidativa enzymerna i fas I verkar på ett smalt antal substrat.
Förutom oxidationen av en kemikalie kan cytokrom P-450-monooxygenaserna katalysera reduktionen. En annan grupp enzymer som kan utföra reduktion är aldehyd/ketonreduktaserna. Var och en av de tre grupperna av hydrolytiska enzymer (epoxidhydrolaser, esteraser respektive amidaser) skapar metaboliter med en hydroxyl-, karboxyl- eller aminofunktionell grupp.
I fas II-reaktioner binder en förändrad exogen kemikalie till en endogen molekyl, vilket leder till att det bildas en slutprodukt (konjugatet), som vanligen är mycket mer vattenlöslig och lätt utsöndras än moderkemikalien. Det finns fyra typer av moderföreningar vars utsöndring kan förbättras genom konjugering: glukuronsyra, glukathion, aminosyror eller sulfat. De två första typerna är de vanligaste fas II-reaktionerna.
Konjugering av glukuronsyra med en hydroxyl-, karboxyl-, amino- eller sulfhydrylgrupp leder till bildning av syre-, kväve- eller svavelglukuronider, som är lättare att utsöndra än glukuronsyra eftersom de är mer vattenlösliga och eftersom de innehåller en karboxylgrupp. Konjugering med glutation förbättrar också utsöndringen. Glutationskonjugering ger glutationskonjugat och merkaptursyraderivat, som utsöndras av levern, njurarna eller båda.
Två typer av konjugeringar, acetylering och metylering, ökar inte utsöndringen av moderkemikalien. Acetylering och metylering minskar moderkemikaliens vattenlöslighet och maskerar moderkemikaliens funktionella grupp, vilket förhindrar att dessa funktionella grupper deltar i konjugationer som ökar deras utsöndring. Acetylering påverkar kemikalier med en aminogrupp och kan göra dem mindre giftiga. Kemikalier med en amino-, hydroxyl- eller sulfhydrylgrupp kan metyleras. Metylering är inte en lika viktig biotransformationsväg för exogena kemikalier som för endogena kemikalier.