药物在体内发生的官能团化（I相生物转化反应）的主要反应类型有氧化反应、还原反应、水解反应等，其中氧化反应是主要的代谢反应。参与药物在体内I相反应的酶系分为微粒体混合功能氧化酶系和非微粒体混合功能氧化酶系。
大多数药物都可能被微粒体混合功能氧化酶系催化而被氧化。肝微粒体混合功能氧化酶主要存在于肝细胞内质网中，在消化道、肺、肾、皮肤和脑组织中也有分布。此酶系含三种功能成分，即黄素蛋白类的NADPH，细胞色素P450还原酶，血红蛋白类的细胞色素P450及脂质。各种外源性和内源性脂溶性分子的代谢都需要这种成分。其中细胞色素P450酶是重要成分，在激活氧与底物结合中起祚关键作用。细胞色素P450是催化这类反应最重要的酶。细胞色素P450存在于肝脏及其他肝脏外组织的内质网中，是一组血红素偶联单加氧酶。细胞色素P450酶系统的组成复杂，由基因多样性控制，称作细胞色素P450基因超家族。
细胞色素P450催化药物生物转化中的氧化反应，需要还原酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和分子氧共同参与。细胞色素P450催化的反应包括：烯烃和芳烃化合物的氧化反应；烯烃、多环烃、卤代苯的环氧化反应；仲胺、叔胺胺和醚的脱烷基反应；伯胺的脱氨基反应；胺类化合物向N-氧化物、羟胺和亚硝基衍生物的转化；卤代烃的脱卤素反应；还催化硫代磷酸酯的氧化消除反应，硫醚的磺氧化反应，磷酸硫酯向磷酸醋衍生物的转化反应，以及把偶氮化合物和硝基化合物还原为芳香伯胺。

氧化反应：
在药物的环系结构或酯链结构的碳上形成羟基或羧基，在氮、氧、硫原子上脱烃基或生成氮氧化物、硫氧化物，是药物代谢中最常见的反应，这些反应都属于氧化反应。
芳环的氧化
含芳环的药物经氧化代谢大部引入羟基，成为相应的酚类。羟基化反应主要发生在芳环已有取代基的对位。如β受体拮抗剂普萘洛尔和降血糖药苯乙双胍的氧化代谢产物，主要为芳环对位羟基化的产物。芳环上取代基的性质对羟基化反应的速度有较大的影响。如芳环上有吸电子取代基，芳环的电子云密度减小，羟基化不易发生．如含羧基的丙磺舒的苯环不被氧化。当药物结构中同时有两个芳环存在时，氧化代谢多发生在电子云密度较大的芳环上。如地西泮的氧化代谢发生在5位的苯环上，产物为4-羟基地西泮，而不发生在含氯取代的苯环上。如果药物分子中含有两个芳环时，一般只有一个芳环发生氧化代谢，如苯妥英和保泰松。保泰松在体内氧化代谢后生成的代谢产物羟布宗，与保泰松比较，抗炎作用比强而毒副性小。若两个芳环上取代基不同时，一般是电子云较丰富的芳环易被氧化。例如，抗精神病药氯丙嗪易氧化生成7-羟基化合物，而含氯原子的苯环则不易被氧化。芳环氧化成酚羟基实际上是经过了环氧化物的历程。中间体环氧化物可进一步重排得苯酚或水解成反式二醇，或发生结合反应，如与谷胱苷肽结合成硫醚氨酸结合物。这些反应产物，都增加了药物的极性和水溶性。但环氧化物的代谢中间体亲电反应性非常活泼，也可能与生物大分子，如DNA，RNA中的亲核基团以共价键结合，对机体产生毒性。如苯并[α]芘本身无致癌活性，在体内氧化成环氧化中间体，具致癌活性，能与脱氧核苷等发生结合。含芳杂环的药物，也容易在环上发生羟基化。如6-巯基嘌呤谢产物是2，8-二羟基-6-巯基嘌吟。
烯烃的氧化
烯烃的氧化代谢与芳环类似，在细胞色素P450催化下，烯烃化合物也会被代谢生成环氧化物。与芳香环环氧化物比较，烯烃环氧化物相当稳定，能被分离、鉴定；也能被环氧化酶水解产生二羟基化合物。卡马西平的环氧化代谢产物有一定的副作用和毒性，进一步的产物10，11-二羟基卡马西平无活性。
烃基的氧化
在细胞色素P450催化下，非活化的烷基碳原子可发生羟基化反应，烷基侧链的倒数第二个碳原子最易发生羟基化，烷基末端的碳原子也会发生羟基化反应；在脱氢酶作用下，产生羰基衍生物醛或酮；在醛脱氢酶作用下，生成羧酸代谢物。除了羟基化反应，细胞色素P450还能催化烷烃脱氢生成烯烃。如非甾体抗炎药布洛芬的异丁基上可发生ω氧化、ω-1氧化和苄位氧化。脂烃链直接与芳环相连的苄位碳原子易于氧化，产物为醇。醇还可进一步氧化成醛、酮或羧酸。如口服降糖药甲苯磺丁脲的代谢即发生在苄位上。当烷基碳原子和sp碳原子相连时，如羰基的α碳原子、苄位碳原子及烯丙位的碳原子，由于受到sp碳原子的作用，使其活化反应性增强，在CYP450酶系的催化下，易发生氧化生成羟基化合物。例如，抗癫痫药丙戊酸钠，长碳链烷烃常的末端碳原子氧化生成羟基，再被脱氢酶进一步氧化生成羧基；碳链末端倒数第二位碳原子也会被氧化，生成2-丙基-4-羟基戊酸钠。镇静催眠药地西泮，处于羰基α位的碳原子易被氧化，经代谢后生成替马西泮。
脂环的氧化
含有脂环和杂环的药物，容易在环上发生羟基化。如口服降糖药醋磺已脲的主要代谢产物是反式4-羟基醋磺已脲。
胺的氧化
含有脂肪胺、芳胺、脂环胺结构的有机药物的体内代谢方式复杂，产物较多，主要以N-脱烃基、N-氧化、N-羟化和脱氨基等途径代谢。
1.N-氧化反应。在大多数悄况下，N-氧化反应由细胞色素P450或黄素单加氧酶催化。脂肪族和芳香族的叔胺、含吡啶环或含氮芳杂环的药物分子在体内经氧化代谢生成极性更大、亲水性的N-氧化物，这些N-氧化反应是可逆的，在细胞色素P450或其他还原酶的作用下，N-氧化物又被脱氧还原生成胺类化合物。伯胺、仲胺和酰胺也能发生N-氧化反应，生成羟胺衍生物。脂肪族伯胺的N-氧化代谢物还能被氧化为亚硝基代谢物，但在体内不能进一步氧化为硝基化合物。然而，芳香族硝基化合物能够通过逆向反应，在体内生成芳香伯胺。α-碳原子上含有氢的脂肪族伯胺，除了发生N-氧化反应，还能进行另外的反应生成烯，进一步氧化生成肟重排生成亚硝基化合物。例如，抗麻风病药氨苯砜分子中的芳香伯胺，被氧化生成N-羟基胺。叔胺经N-氧化后生成的N-氧化物化学性质较稳定，不再进一步发生氧化反应，如抗高血压药胍乙啶，在环上的叔胺氮原子氧化生成N-氧化物。
2.N-脱烷基化和脱氨反应。胺类化合物在细胞色素P450催化下会发生N-脱烷基和脱氨反应，与氮原子相连的烷基碳原子上应有氢原子（即α-氢原子），首先该氢α-原子被氧化生成羟基，生成的α-羟基胺是不稳定的中间体，会发生自动裂解，生成仲胺或伯胺，烷基部分裂解为醛或酮。β受体拮抗剂普萘洛尔分子中与氮相连的两个碳原子上都含有α-氢，因此有两条脱氨途径。N-脱烷基化脱去的基团通常是甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、烯丙基和苄基，以及其他含α-氢原子的基团。取代基的体积越小，越容易脱去。叔胺脱烃基的速度较快，一般得到的仲胺也具有母体药物的生物活性。利多卡因中的叔胺基被氧化后常得到脱一个烃基的仲胺代谢物，也可以再脱一个烃基生成伯胺代谢物，但脱第二个烃基时相对比较困难。代谢产生的仲胺和伯胺的代谢物对中枢神经系统的毒副作用较大。
醚及硫醚的氧化
1.含氧化合物的氧化代谢。含氧化合物以醚类药物为主，醚类药物在微粒体混合功能酶的催化下，进行O-脱烷基化反应，反应机制是与氧原子相连的烷基碳原子上应有氢原子（即α-氢），该碳原子易被羟基化，羟基化的代谢物不稳定，发生C-O键断裂，生成羟基化合物醇或酚以及羰基化合物。芳醚类化合物较常见的代谢途径是O-脱烃反应。一般过程是含α-氢的碳上羟基化后，碳-氧键断裂得到酚。甲基醚最易被脱去；烷基较大时，α-碳氧化较慢，常发生ω或ω-1氧化。如可待因在体内有8%发生O-去甲基化，生成吗啡；非那西丁脱乙基生成对乙酰氨基酚。非甾体抗炎药吲哚美辛经氧化代谢后生成O-脱甲基化合物。
2.含硫原子的药物。含硫原子的药物主要经历三个氧化代谢反应，即S-脱烷基、S-氧化和氧化脱硫。
①S-脱烷基。S-脱烷基反应的机理与O-脱烷基化反应相同，芳香或脂肪族的硫醚通常在细胞色素P450催化下，经氧化S-脱烷基生成巯基和羰基化合物。例如，抗肿瘤药6-甲巯嘌呤经氧化代谢脱6-甲基得巯嘌呤
②S-氧化反应。黄素单加氧酶催化氧化杂原子N和S，但不能催化杂原子的脱烷基化反应。在FMO催化下，含硫原子的药物通常被氧化生成亚砜，亚砜还会被进一步氧化生成砜。，例如，抗精神失常药硫利达嗪，经氧化代谢后生成亚砜化合物美索达嗪，其抗精神失常活性比硫利达嗪高1倍。
③氧化脱硫。氧化脱硫反应主要是指含碳-硫双键和磷-硫双键的化合物经氧化脱硫代谢后生成碳-氧双键和磷-氧双键。例如．硫喷妥经氧化脱硫生成戊巴比妥。

还原反应：
药物的氧化代谢是主要的代谢反应，但对羰基、硝基、偶氮，叠氮化合物等结构，还原代谢是重要的代谢反应。还原代谢后内分子中往往引人羟基、氨基等易结合代谢的基团，便于进一步进行Ⅱ相结合反应排出体外。
羰基的还原
醛或酮在酶催化下还原为相应的醇，醇可进一步与葡萄糖醛酸成苷，或与硫酸成酯结合，形成水溶性分子，而易于排泄。如水合氯醛还原代谢转化为活性产物三氯乙醇，后者通过与葡萄糖醛酸结合排出体外。酮羰基是药物结构中常见的基团，酮在体内难于被氧化，通常在体内经酮还原酶的作用，生成仲醇。由于醛类易于氧化，因此，醛很少被还原为伯醇。脂肪族和芳香族不对称酮羰基在酶的催化下，立体专一性还原生成一个手性羟基。例如，降血糖药醋磺己脲经代谢后以生成S-（—）-代谢物；镇痛药S-（+）-美沙酮经代谢后生成（3S，6S）-α-（—）-美沙醇。
硝基和偶氮化合物的还原
肝微粒体包含有将偶氮和硝基化合物还原成伯胺的还原酶系统。许多偶氮化合物和硝基都能通过肝微粒体中的偶氮还原酶转化为伯胺。例如，抗溃疡性结肠炎药物柳氮磺吡啶被还原生成磺胺吡啶和5-氨基水杨酸；硝基化合物，如氯霉素，在硝基还原酶的催化下，生成亚硝基、羟胺等中间体，再生成芳香伯胺。硝基的还原是一个多步骤过程，中间经历了亚硝基、羟胺等中间步骤。还原得到的羟胺毒性大，可致癫和产生细胞毒性。例如长期接触硝基苯会引起正铁血红蛋白症，就是由体内还原代谢产物的苯羟胺所致。

水解反应
含酯和酰胺结构的药物在代谢中，易被肝脏、血液中或肾脏等部位的水解酶水解成羧酸、醇（酚）或胺等。水解反应也可能在体内的酸催化下进行。水解产物的极性较其母体药物强。
邻近基团的立体位阻对酯和酰胺的水解速度的影响较大。如有较大位阻的阿托品，在体内几乎有50%以原药形式随尿排泄，剩余部分也未进行酯水解代谢。酰胺水解的速度较酯慢。如抗心律失常药物普鲁卡因胺在水解代谢中的速率比普鲁卡因慢得多。普鲁卡因在体内可迅速水解，绝大部分以水解产物对氨基苯甲酸或其结合物从尿中排除；而普鲁卡因胺，约60%的药物以原药形式从尿中排出。由于水解酶在体内广泛分布于各组织中，水解反应是酯类药物体内代谢的最普遍的途径。利用这一特性，人们把一些含有羧基、醇（酚）羟基的药物做成酯。因此改变了药物的极性，并使吸收、分布、作用时间和稳定性等药代动力学性质得到改善。这些药物，称作原来的药物的前药，在体内通过酶水解，释放出原药发挥作用。如林可霉素的极性较大，脂溶性差，吸收不好。如将林可霉素的2-O-羟基酯化后，可使药物的脂溶性增加，吸收性得到改善。在体内水解成林可霉素起作用。前药设计现已成为改善药物的药代动力学性质的一个新药研究的常用方法 。