O diazepam é N-desmetilado pela CYP3A4 e pela CYP2C19 ao metabolito ativo N-desmetildiazepam e em menor quantidade é hidroxilado pela CYP3A4 no metabolito ativo temazepam (Figura 1).

Ambos são posteriormente metabolizados a oxazepam. O temazepam e o oxazepam são amplamente eliminados por glucuronidação.

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As principais substâncias ativas encontradas no sangue são o diazepam e o N-desmetildiazepam, pois o oxazepam e o temazepam são conjugados e excretados quase na mesma proporção em que são gerados. Muito pouco diazepam não metabolizado é eliminado na urina.