血红素是一种含铁卟啉，作为血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素（在氧化磷酸化中起作用）、过氧化氢酶和一氧化氮合酶的辅基。其生物合成和降解涉及八个酶促步骤，并受到严格调节以维持铁稳态并防止有毒中间体积累。

血红素生物合成

血红素合成始于线粒体，继续在细胞质中进行，然后返回线粒体完成。第一个反应将甘氨酸与琥珀酰辅酶A缩合形成δ-氨基-γ-酮戊酸，由ALA合酶催化。这是该途径的限速步骤，需要磷酸吡哆醛作为辅因子。ALA合酶通过反馈抑制和转录抑制受血红素调节。存在两种亚型：ALAS1是看家形式，ALAS2是红系特异性形式。

ALA输出到细胞质，在那里两分子被ALA脱水酶缩合形成胆色素原。该酶被铅抑制，导致铅中毒性贫血。然后四个PBG分子由胆色素原脱氨酶连接形成称为羟甲基胆烷的线性四吡咯。

尿卟啉原III的形成

羟甲基胆烷可自发环化为尿卟啉原I（一种不可用的异构体），或由尿卟啉原III合酶转化为正确的尿卟啉原III。该酶翻转其中一个吡咯环，产生天然卟啉特征性的不对称结构。该酶缺陷导致先天性红细胞生成性卟啉症。

尿卟啉原III由尿卟啉原脱羧酶脱羧为粪卟啉原III，去除乙酸侧链上的四个羧基。粪卟啉原III进入线粒体，由粪卟啉原氧化酶将两个丙酸侧链转化为乙烯基，形成原卟啉原IX。

原卟啉IX和铁插入

原卟啉原氧化酶将卟啉原环氧化为完全共轭的原卟啉IX，产生特征性的红色。该酶需要分子氧，并被一些除草剂抑制。最后，亚铁螯合酶将亚铁插入原卟啉IX的中心形成血红素。铅也抑制亚铁螯合酶，损害血红素合成。

调节

血红素合成主要在ALA合酶水平通过游离血红素的浓度调节。血红素抑制ALAS1转录， destabilize ALAS1 mRNA，并阻断ALAS1的线粒体输入。血红素还诱导血红素加氧酶（血红素降解的第一个酶），提供血红素水平的协调调节。在红细胞中，铁可用性是主要调节物，ALAS2翻译受铁响应元件和铁调节蛋白控制。

卟啉症

卟啉症是由血红素生物合成酶缺陷引起的疾病，根据酶表达的主要部位分为肝性或红细胞生成性。急性间歇性卟啉症由PBG脱氨酶缺陷引起，导致ALA和PBG积累。急性发作表现为严重腹痛、神经精神症状和自主神经功能障碍，通常由诱导CYP450酶并消耗血红素的药物触发。

迟发性皮肤卟啉症由尿卟啉原脱羧酶缺陷引起，是最常见的卟啉症。表现为日光暴露区域的皮肤脆弱、起疱和多毛症。肝细胞癌风险增加。红细胞生成性原卟啉症由亚铁螯合酶缺陷引起，导致疼痛性光敏感而不起疱。

血红素降解

血红素降解主要发生在网状内皮系统，特别是脾脏和肝脏。血红素加氧酶（限速酶）在α-亚甲桥处切割卟啉环，产生胆绿素、亚铁和一氧化碳。HO受血红素本身和氧化应激诱导。HO-1是可诱导亚型；HO-2是组成型表达的。

胆绿素还原酶将胆绿素还原为胆红素（一种黄色色素）。未结合胆红素是亲脂性的，与白蛋白结合运输到肝脏。在肝脏中，胆红素由UDP-葡萄糖醛酸基转移酶与葡萄糖醛酸结合，产生水溶性的胆红素二葡萄糖醛酸苷。结合胆红素分泌到胆汁中并运输到肠道。

在肠道中，细菌β-葡萄糖醛酸苷酶去结合胆红素，产生的胆红素被还原为尿胆素原和粪胆素原，赋予粪便其棕色。一些尿胆素原被重吸收并通过尿液排出。当胆红素在血液中积累时发生黄疸，引起皮肤和巩膜黄染。