Biosynteza hemu to szereg interakcji chemicznych, które prowadzą do produkcji hemu. Jako kofaktor niezbędny do biologicznej aktywności białek, hem działa jako grupa protetyczna dla białek hemowych. Te hemeproteiny są odpowiedzialne za transport i detekcję gazów dwuatomowych, przeniesienie elektronów i katalizę chemiczną w organizmie.
Proces biosyntezy hemu rozpoczyna się w mitochondriach, które są częściami komórki wytwarzającymi energię. Glicyna i sukcynylokoenzym A są skondensowane przez ograniczający szybkość enzym syntazę kwasu 5-aminolewulinowego (ALA), z witaminą B6 jako koenzymem. Ta interakcja powoduje wytwarzanie kwasu D-aminolewulinowego (dALA), który jest następnie transportowany do cytozolu.
W cytozolu dwie cząsteczki kwasu D-aminolewulinowego łączą się i są dimeryzowane przez dehydratazę kwasu aminolewulinowego w celu wytworzenia związku pierścienia pirolu, porfobilinogenu (PBG). Deaminacja przez deaminazę porfobilinogenu łączy cztery cząsteczki porfobilinogenu w hydroksymetylobilan (HMB), liniowy tetrapirol. Biosynteza hemu jest następnie kontynuowana z hydrolizą hydroksymetylobilanu do uroporfrynogenu III z syntazą uroporfrynogenu III. Ta konwersja powoduje zamknięcie tetrapirolu, tworząc pierścień.
Ostatnim etapem biosyntezy hemu zachodzącej w cytozolu jest usuwanie grup karboksylowych z uroporfrynogenu III przez dekarboksylazę uroporfrynogenu III, z wytworzeniem dwutlenku węgla i koproporfirynogenu III. Synteza jest następnie transportowana z powrotem do mitochondriów, gdzie usunięcie grupy karboksylowej i dwóch atomów wodoru z koproporfirynogenu III przez oksydazę koproporfirynogenu daje protoporfirynogen IX. Oksydaza protoporfirynogenu IX następnie usuwa sześć atomów wodoru z protoporfirynogenu IX, wytwarzając protoporfirynogen IX. Wreszcie, ferrochelataza wstawia atom żelaza do protoporfiryny IX, w wyniku czego powstaje hem.
Po zakończeniu biosyntezy hemu, hem wiąże się z białkiem, aby pełnić określoną funkcję. Typowym tego przykładem jest hemoglobina, wyspecjalizowane białko hemowe, które składa się z łańcuchów hemu i czterech globin. Hemoglobina jest głównym składnikiem czerwonych krwinek i nadaje komórkom ich czerwone zabarwienie. W krwinkach czerwonych hemoglobina przenosi tlen do tkanek organizmu, gdzie jest uwalniany do użytku. Hemoglobina następnie przenosi dwutlenek węgla z tkanek, który jest uwalniany do płuc.
Biosynteza hemu jest zaburzona przez niedobór żelaza z powodu braku dostępnych atomów żelaza. Następnie hemu nie można zsyntetyzować, a hemoglobina nie może powstać. Jeśli jest wystarczająco ciężka, anemia rozwinie się w wyniku braku funkcjonalnych czerwonych krwinek z wystarczającą ilością hemoglobiny, aby przetransportować wymagane ilości tlenu do tkanek. Niedobór żelaza zapobiegający biosyntezie hemu ma wiele przyczyn, w tym przewlekłą utratę krwi, zwiększone wymagania organizmu, takie jak ciąża, złe wchłanianie żelaza i uboga dieta, która zawiera niedobór pokarmów bogatych w żelazo.