参与Ⅰ相反应的关键酶主要是细胞色素P450酶系。
细胞色素P450酶系又称为混合功能氧化酶或单加氧酶，它是一组结构和功能相关的超家族基因编码的同工酶。该酶系存在于细胞的内质网中，在肝脏中含量最为丰富，不过在其他组织如肺、肾、胃肠道等也有分布。
细胞色素P450酶系的催化作用具有多样性和底物特异性。它能够催化多种类型的化学反应，包括氧化、还原、水解等反应。在氧化反应中，它可以使许多外源性化学物质发生羟化、环氧化、脱烷基化等反应。例如，对于一些芳香烃类化合物，细胞色素P450可以将其氧化为环氧化物，这一过程是很多化学物质代谢活化的重要步骤。
其催化反应的机制较为复杂。一般来说，底物首先与氧化态的细胞色素P450结合形成复合物，然后接受来自辅酶Ⅱ（NADPH）-细胞色素P450还原酶传递的电子，使细胞色素P450被还原。接着，还原态的细胞色素P450与分子氧结合，形成含氧的三元复合物。之后，该复合物再接受一个电子，发生一系列反应，最终将氧原子插入到底物分子中，同时生成水。
除了细胞色素P450酶系外，参与Ⅰ相反应的酶还有黄素加单氧酶、醇脱氢酶、醛脱氢酶、环氧化物水化酶等。黄素加单氧酶主要催化含氮、硫、磷等亲核杂原子的外源化学物的氧化，它与细胞色素P450酶系在底物特异性上有所不同。醇脱氢酶和醛脱氢酶分别参与醇类和醛类的氧化代谢，它们在酒精等物质的代谢中起着关键作用。环氧化物水化酶则能将环氧化物加水生成相应的二醇，这对于消除某些化学物质的环氧化毒性具有重要意义。不过，从整体的重要性和催化反应的广泛性来看，细胞色素P450酶系是参与Ⅰ相反应的最为关键的酶。
