金屬卟啉（Metalloporphyrin）是生物中廣泛存在的一類化合物。其中，血紅素（鐵原卟啉IX）是分佈最廣泛的一種。
血紅素b的化學結構
- 血紅蛋白、肌紅蛋白利用血紅素轉運、貯存氧氣；
- 細胞色素c是線粒體電子傳遞鏈的組成部分，用血紅素傳遞電子；
- 以血紅素為輔酶的酶，可以轉移電子，或者催化氧化、分解、脫水、異構等各種化學反應，比如過氧化物酶使生物不易氧氣中毒，細菌、真菌、植物的細胞色素P450催化各種天然產物的形成，人體肝臟的細胞色素P450催化藥物的代謝，心血管系統、免疫系統及神經系統中一氧化氮合酶將精氨酸氧化產生一氧化氮，色氨酸的分解代謝需要色氨酸雙氧化酶；
- 一些含血紅素的蛋白作為信號轉導蛋白參與生理活動的調控。
1 血紅素的生物合成途徑
血紅素生物合成起始於甘氨酸和琥珀酰輔酶A。
甘氨酸脫羧並和琥珀酰輔酶A縮合形成5-氨基乙酰丙酸（又稱δ-氨基-γ-酮戊酸，δ-aminolevulinic acid，ALA）。這步反應由ALA合成酶催化，輔酶是磷酸吡哆醛（維生素B6）。
然後ALA脫水酶催化兩分子ALA脫去兩分子水，形成膽色素原（又稱卟膽原，2-氨甲基-4-羧乙基-3-羧甲基吡咯）。
膽色素原分子核心為一個吡咯環，上面有氨甲基、羧甲基和羧乙基三個取代基。羧甲基和羧乙基也就是乙酸結構和丙酸結構。
膽色素原分子結構
兩分子ALA縮合的過程如下圖，氨甲基和乙酸來源於一分子ALA，而丙酸和吡咯氮原子來源於另一分子ALA。
之後，四分子膽色素原脫去四分子氨縮合生成尿卟啉原Ⅲ（uroporphyrinogen Ⅲ）。這一步反應由兩個酶催化。
首先，尿卟啉原I合酶（uroporphyrinogen I synthase，又稱膽色素原脫氨酶、羥甲基膽素合酶）催化四分子膽色素原脫去三分子氨縮合並水解第四個氨基，生成羥甲基膽素（hydroxymethylbilane）。
羥甲基膽素經過尿卟啉原Ⅲ合酶（uroporphyrinogen Ⅲ synthase，又稱尿卟啉原Ⅲ同合酶、uroporphyrinogen Ⅲ cosynthase）催化縮合，形成尿卟啉原Ⅲ（下圖）。
註意尿卟啉原Ⅲ與羥甲基膽素相比，第四個吡咯環上的乙酸和丙酸位置發生瞭互換（下圖A表示乙酸，P表示丙酸）。在沒有尿卟啉原Ⅲ合酶存在的情況下，羥甲基膽素可以自發環化形成尿卟啉原I，此時乙酸和丙酸的位置沒有發生互換。
A表示乙酸，P表示丙酸，下同
之後，尿卟啉原Ⅲ脫羧酶催化尿卟啉原Ⅲ的四個乙酸結構脫羧變為甲基，從而生成糞卟啉原Ⅲ（coproporphyrinogen Ⅲ）。
糞卟啉原氧化酶催化其中兩個丙酸結構氧化脫羧變成乙烯基，從而生成原卟啉原IX，再經原卟啉原IX氧化酶催化脫去六個氫原子，形成瞭具有大共軛體系的原卟啉IX。
最後，亞鐵螯合酶（ferrochelatase）催化亞鐵離子和原卟啉IX結合生成血紅素b（本文第一張圖）。
2 尿卟啉原I合酶
如上所述，尿卟啉原I合酶催化四分子膽色素原脫去三分子氨縮合並水解第四個氨基，生成含有四個吡咯環的羥甲基膽素。
在這個過程中，尿卟啉原I合酶不僅逐個催化膽色素原的脫氨縮合，同時還對吡咯環進行“計數”。當縮合的膽色素原分子數達到4時，它就釋放羥甲基膽素，交給尿卟啉原Ⅲ合酶。這個反應很神奇，但也要註意到，膽色素原在本身在一定條件下（比如在稀酸中）就可以自發脫氨縮合，所以這個反應並不全是尿卟啉原I合酶的功勞。
膽色素原的氨甲基吡咯結構會發生E1消去反應，脫去一分子氨，形成氮雜富烯結構。前一個吡咯環靠近丙酸的α碳原子親核進攻這個氮雜富烯結構的亞甲基，就將兩個吡咯環通過亞甲基連在瞭一起。這樣的反應進行三次就得到瞭線狀四吡咯化合物也就是羥甲基膽素。
但是羥甲基膽素的第一個吡咯環上的氨甲基為什麼會變成羥甲基呢？
羥甲基膽素的結構式。紅線劃分成四份，表示這四個部分來源於四個膽色素原分子
實際上，第一個吡咯環所屬的膽色素原分子和尿卟啉原I合酶的輔基發生瞭共價結合：第一個吡咯環所屬的膽色素原分子也會發生E1消去反應，形成氮雜富烯結構。尿卟啉原I合酶的輔基親核進攻這個氮雜富烯結構的亞甲基，就將它和酶共價結合在瞭一起。在此基礎上，再連上三個吡咯環，就將形成的線狀四吡咯化合物羥甲基膽素水解釋放下來。於是羥甲基膽素就會有一個羥甲基結構。
尿卟啉原I合酶通過輔酶結合四分子膽色素原。這個復合物可以水解產生尿卟啉原I合酶和羥甲基膽素
那這個輔基是個什麼化學結構呢？真相很鬼畜，這個輔基就是兩個膽色素原分子脫氨形成的雙吡咯結構。也就是說，尿卟啉原I合酶本身自帶兩個吡咯環（依次稱為C1、C2環），在此基礎上可以再添加四個吡咯環（依次稱為A、B、C、D環），然後把這四個吡咯環作為整體水解釋放，生成羥甲基膽素。
雙吡咯結構的輔基連接在尿卟啉原I合酶的一個半胱氨酸殘基（上圖、下圖的Cys）上。而且，這個輔基的形成不需要其他酶的參與。也就是說，尿卟啉原I合酶被核糖體翻譯出來之後，它自己就會找到兩個膽色素原分子，連接在自己身上。具體的過程和羥甲基膽素形成過程類似，這兩個膽色素原分子也發生E1消去反應，形成氮雜富烯結構。半胱氨酸殘基側鏈的巰基親核進攻氮雜富烯結構的亞甲基，從而通過硫醚鍵將一個吡咯環共價結合在酶上面。然後前一個吡咯環（稱為C1環）靠近丙酸結構的α碳原子親核進攻第二個氮雜富烯結構的亞甲基，就將第二個吡咯環（稱C2環）通過亞甲基連在瞭C1環上。
雙吡咯結構的輔基形成後，尿卟啉原I合酶才具有催化活性。而它的催化活性就相當於將添加C2環的反應重復瞭4次，重復瞭4次之後相當於它的半胱氨酸殘基側鏈硫原子上連瞭六個吡咯環（如上所示）。但是它隻會將外側四個吡咯環作為整體水解下來，形成羥甲基膽素，交給尿卟啉原Ⅲ合酶。裡面的兩個吡咯環作為輔基，重復使用，不會消耗。
不知道尿卟啉原I合酶這種神奇的催化策略是怎麼樣形成的。但它肯定經過瞭長期的演化才最終形成。註意葉綠素的生物合成也要經過這個步驟，所以這種催化策略的形成應該發生在最早的藍藻（藍細菌）出現之前。
3 尿卟啉原Ⅲ合酶
尿卟啉原I合酶合成羥甲基膽素，然後羥甲基膽素可以自發環化形成尿卟啉原I，它是個中心對稱的化合物。但是尿卟啉原Ⅲ合酶卻可以將羥甲基膽素轉化為不對稱的尿卟啉原Ⅲ，第四個吡咯環（D環）的丙酸和乙酸位置發生瞭互換。
這個重排反應涉及到螺環中間體。首先，A環通過亞甲基與D環連在一起，但連接位點是D環靠近乙酸（A）的α碳原子。然後，D環和C環中間的亞甲基與D環斷開，在C環上形成瞭氮雜富烯結構。然後D環靠近丙酸（P）的α碳原子與這個氮雜富烯結構的亞甲基結合在一起，就形成瞭尿卟啉原Ⅲ。
由於羥甲基膽素可以自發環化形成尿卟啉原I，所以推測A環上的羥甲基會自發脫水形成氮雜富烯結構，然後D環靠近丙酸（P）的α碳原子與這個氮雜富烯結構的亞甲基結合在一起，就形成瞭尿卟啉原I。而尿卟啉原Ⅲ合酶的第一個重要作用就是讓A環形成的氮雜富烯結構的亞甲基，靠近D環乙酸（A）側的α碳原子而遠離丙酸（P）側的α碳原子，促進關鍵的螺環中間體的形成，然後通過後續步驟造成D環的翻轉。
尿卟啉原Ⅲ不僅是血紅素的前體，也是葉綠素和鈷胺素的前體。至於為什麼自然界喜歡用尿卟啉原Ⅲ而不是尿卟啉原I，這就是另外一個問題瞭。
