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헴

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목차

1. 개요

헴은 다양한 생물학적 기능을 수행하는 헴단백질의 보결분자단이다. 헴은 이원자 기체 운반, 화학 촉매 작용, 이원자 기체 감지 및 전자 전달에 관여하며, 헴 철은 전자 전달 또는 산화환원 반응 동안 전자 공여체 또는 수용체 역할을 한다. 헴은 헴 B, 헴 A, 헴 C, 헴 O, 헴 l, 헴 m, 헴 D, 헴 S 등 여러 종류가 있으며, 헴 B는 헤모글로빈, 미오글로빈, 사이토크롬에 존재한다. 헴은 글리신과 석시닐-CoA로부터 시작되는 복잡한 생합성 과정을 거쳐 생성되며, 헴의 분해는 지라의 대식세포에서 이루어진다. 헴은 세포독성으로 인해 말라리아, 패혈증 등 특정 염증성 질환의 발병에 관여할 수 있으며, 고기 섭취를 통해 과다 섭취 시 결장암 위험을 증가시킬 수 있다. 임파서블 푸즈는 대체육 생산에 헴을 사용한다.

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헴
기본 정보
헴 분자의 화학 구조
헴 분자의 화학 구조
화학식C34H32FeN4O4
분자량616.488 g/mol
개요
설명헴(, )은 철 이온(Fe)이 포르피린 고리(특정 테트라피롤)에 결합된 배위 화합물이다.
어원그리스어 αἷμα (haîma, "피")에서 유래
생화학적 역할
기능헴은 다양한 생물학적 단백질의 보조 인자 역할을 하며, 헴 단백질은 산소 운반, 전자 전달, 촉매 작용과 같은 다양한 기능을 수행한다.
주요 헴 단백질헤모글로빈
미오글로빈
사이토크롬
카탈레이스
과산화효소
산소 결합헴 내의 철 이온은 산소 분자와 가역적으로 결합하여 산소 운반 기능을 수행한다.
종류
헴 b가장 흔한 형태의 헴이며, 헤모글로빈과 미오글로빈에서 발견된다.
헴 a사이토크롬 산화효소에서 발견된다.
헴 c일부 사이토크롬에서 발견된다.
헴 o일부 세균의 사이토크롬에서 발견된다.
헴 m마이엘로퍼옥시다제에서 발견된다.
헴 d일부 세균의 사이토크롬에서 발견된다.
헴 s겸상 적혈구 헤모글로빈에서 발견된다.
참고헴의 종류는 포르피린 고리의 치환기에 따라 결정된다.
합성
과정헴은 복잡한 다단계 과정을 거쳐 합성되며, 이 과정은 세포의 미토콘드리아와 세포질에서 일어난다.
전구체헴 합성의 전구체는 글리신과 석시닐-CoA이다.
조절헴 합성은 다양한 효소에 의해 조절되며, 헴 자체도 합성을 억제하는 역할을 한다.
대사
분해헴은 수명이 다한 적혈구에서 분해되어 빌리베르딘으로 전환되고, 빌리베르딘은 다시 빌리루빈으로 전환되어 담즙을 통해 배설된다.
관련 질병헴 대사의 이상은 포르피린증, 철 결핍성 빈혈, 혈색소침착증과 같은 다양한 질병을 유발할 수 있다.
관련 용어
헴 철헴 분자에 포함된 철 이온을 의미하며, 비헴 철과는 구별된다.
헴 단백질헴을 보조 인자로 사용하는 단백질을 의미한다.
포르피린헴의 기본 구조를 이루는 고리 화합물이다.
주의사항
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2. 기능

헴은 헴단백질의 보결분자단으로 작용하여 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 헴단백질은 이원자 기체 운반, 화학 촉매 작용, 이원자 기체 감지 및 전자 전달을 포함한 다양한 생물학적 기능을 가지고 있다.[72]

헴단백질은 단백질 내의 헴 거대고리의 환경을 변형함으로써 놀라운 기능적 다양성을 달성한다.[74] 예를 들어 조직에 산소를 효과적으로 전달하는 헤모글로빈의 능력은 헴 분자 근처에 위치한 특정 아미노산 잔기 때문이다.[75]

일반적으로 이원자 기체는 Fe(II)처럼 환원된 헴에만 결합하는 반면, 대부분의 과산화효소는 Fe(III)와 Fe(IV) 사이를 순환하고 미토콘드리아에서의 산화환원반응 (산화 및 환원)은 Fe(II)와 Fe(III)사이에서 순환한다.[72]

헴단백질의 진화적 기능은 산소 분자가 출현하기 전 남세균과 유사한 조상격 생물의 원시 황 기반 광합성 경로에서의 전자 전달이었던 것으로 추측되어 왔다.[73]

철 부가 효소에 의해 프로토포르피린 IX에 철이 배위된 것이 헴이다. 이 반응은 미토콘드리아 내에서 진행된다. 미토콘드리아 내에서 생성된 헴은 세포질로 나와 대응하는 아포단백질과 결합하여 헴 단백질이 된다.[56]


  • - + Fe2+ ⇔ -- + 2H+

2. 1. 이원자 기체 운반 및 저장

헴단백질은 이원자 기체 운반을 포함한 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 이원자 기체의 운반이나 검출에서 기체는 헴 철과 결합한다. 일반적으로 이원자 기체는 Fe(II)처럼 환원된 헴에만 결합한다.[72]

헤모글로빈은 pH가 높고 이산화 탄소의 농도가 낮을 때 폐의 산소와 가역적으로 결합한다. 반대로 pH가 낮고 이산화 탄소 농도가 높을 때는 헤모글로빈이 조직으로 산소를 방출한다. 이처럼 헤모글로빈의 산소 결합 친화력이 산성도와 이산화 탄소의 농도에 반비례하는 현상을 보어 효과라고 한다.[76] 보어 효과의 분자적 메커니즘은 글로빈 사슬의 입체적 구성에 기인한다. 헴기에 인접한 히스티딘 잔기는 산성 조건(운동하는 근육 등에 용해된 CO2로 인해 발생)에서 양전하를 띠고 헴기로부터 산소를 방출한다.[77]

2. 2. 전자 전달

헴 철은 전자 전달 또는 산화환원 반응이 일어나는 동안 전자 공여체 또는 전자 수용체 역할을 한다.[72] 헴단백질의 진화적 기능은 산소 분자가 출현하기 전 남세균과 유사한 조상격 생물의 원시 황 기반 광합성 경로에서의 전자 전달이었던 것으로 추측되어 왔다.[73]

미토콘드리아의 전자전달계에서 석신산 탈수소효소의 헴기는 전자를 전달하여 ATP 생성에 기여한다. 이때 헴은 전자를 전달하는 전자 운반체인 히스티딘에 결합되어 있다.

2. 3. 촉매 작용

헴단백질은 화학 촉매 작용을 비롯한 다양한 생물학적 기능을 수행한다. 헴 철은 산화환원 반응 과정에서 전자 공여체 또는 전자 수용체로 작용한다. 과산화효소 촉매 반응에서 포르피린 분자는 전자 공여체 역할을 하기도 한다.[72]

헴 분해 과정에서 첫 번째 단계는 헴 산소화효소(HO)에 의해 헴이 빌리베르딘으로 전환되는 것이다.[96] 이 반응에는 NADPH가 환원제로 사용되며, 산소 분자가 관여하고, 일산화 탄소(CO)가 생성되며, 철은 제일철 이온(Fe2+) 형태로 방출된다.[97]

2. 4. 이원자 기체 감지

헴단백질은 이원자 기체 감지 기능을 수행한다. 이원자 기체가 헴 철에 결합하면 주변 단백질의 입체구조적 변화가 유도된다.[72] 이원자 기체는 일반적으로 환원된 헴(Fe(II))에만 결합한다.[10]

3. 종류

헴은 포르피린 고리에 결합된 곁사슬의 종류에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 일반적인 유형은 헴 B이며, 이외에도 헴 A, 헴 C 등이 존재한다.

분리된 헴은 대문자로, 단백질에 결합된 헴은 소문자로 표기하는 것이 일반적이다. 예를 들어 사이토크롬 ''a''는 사이토크롬 ''c'' 산화효소에 특이적으로 결합된 헴 A를 지칭한다.[80]

사이토크롬의 이름은 대개 포함하고 있는 헴의 종류를 반영한다. 예를 들어 사이토크롬 ''a''는 헴 A를, 사이토크롬 ''c''는 헴 C를 포함한다. 이러한 명명 관례는 헴 A의 구조가 발표될 때 처음 적용된 것으로 보인다.

헴을 대문자로 표기하는 관행은 푸스티넨(Puustinen)과 위크스트롬(Wikstrom)의 논문[86] 각주에서 공식화되었다. 분리된 헴 구조를 설명할 때는 대문자를 사용하고, 소문자는 사이토크롬과 효소, 개별 단백질 결합 헴기를 설명하는데 사용한다.

생화학자들이 사용하는 포르피린 탄소 번호 지정 시스템은 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)에서 권장하는 1~24 번호 지정 시스템과 다르다.

3. 1. 주요 헴

헴 B는 가장 일반적인 유형으로, 헤모글로빈, 미오글로빈 및 대부분의 사이토크롬에서 발견된다. 헴 A는 사이토크롬 c 산화효소의 구성 성분으로, 헴 B에서 유도된다.[79] 헴 C는 사이토크롬 c에 공유 결합된 형태로 존재한다.

헴헴 A헴 B헴 C헴 O
----
PubChem 번호https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?sid=7888115 7888115https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=444098 444098https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=444125 444125https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=6323367 6323367
화학식C49H56O6N4FeC34H32O4N4FeC34H36O4N4S2FeC49H58O5N4Fe
C3의 작용기
–CH(OH)CH2Far–CH=CH2–CH(시스테인-S-yl)CH3–CH(OH)CH2Far
C8의 작용기–CH=CH2–CH=CH2–CH(시스테인-S-yl)CH3–CH=CH2
C18의 작용기–CH=O–CH3–CH3–CH3



분리된 헴은 일반적으로 대문자로, 단백질에 결합된 헴은 소문자로 표기한다. 예를 들어 사이토크롬 ''a''는 사이토크롬 c 산화효소에 특이적으로 결합된 헴 A를 지칭한다.[80]

3. 2. 기타 헴


  • '''헴 ''l'''''은 락토퍼옥시데이스, 호산구 과산화효소 및 갑상샘 과산화효소에 공유 결합으로 부착된 헴 B의 유도체이다. 글루타밀375 및 아스파르틸225와 과산화물을 첨가하면 이들 아미노산 잔기와 헴 1-메틸기 및 5-메틸기 사이에 각각 에스터 결합이 형성된다. 이 두 메틸기와 유사한 에스터 결합이 호산구 과산화효소와 갑상샘 과산화효소에서 형성되는 것으로 생각된다. 헴 ''l''은 동물 과산화효소의 중요한 특성 중 하나이며, 식물 과산화효소는 헴 B를 포함한다. 락토퍼옥시데이스와 호산구 과산화효소는 침입한 세균과 바이러스를 파괴하는 보호 효소이다. 갑상샘 과산화효소는 중요한 갑상샘 호르몬의 생합성을 촉매하는 효소이다. 락토퍼옥시데이스는 폐와 배설물에 침입한 생물체를 파괴하기 때문에 중요한 보호 효소로 생각된다.[81]
  • '''헴 ''m'''''은 미엘로퍼옥시데이스의 활성 부위에 공유 결합된 헴 B의 유도체이다. 헴 ''m''은 락토퍼옥시데이스 및 호산구 과산화효소와 같은 다른 포유류의 과산화효소의 헴 ''l''에도 존재하는 헴 1-메틸기 및 5-메틸기에 두 개의 에스터 결합을 포함한다. 또한 메티오닐 아미노산 잔기의 황과 헴 2-비닐기 사이에 독특한 설폰아마이드 이온 결합이 형성되어 이 효소에 염화물과 브로민화물 이온을 차아염소산염과 차아브로민산염으로 쉽게 산화시키는 독특한 능력을 부여한다. 미엘로퍼옥시데이스는 포유류의 호중구에 존재하며 침입한 세균과 바이러스를 파괴하는 역할을 한다. 아마도 "실수"로 차아브로민산염을 합성하는 것 같다. 차아염소산염과 차아브로민산염은 모두 돌연변이 유발 화합물인 할로젠화 뉴클레오사이드의 생성을 담당하는 반응성이 매우 큰 종이다.[82][83]
  • '''헴 D'''는 헴 B의 또 다른 유도체이지만, 6번 탄소의 프로피온산 곁사슬이 역시 하이드록실화되어 γ-스피로락톤을 형성한다. 고리 III는 또한 새로운 락톤 그룹에 대한 트랜스 입체구조로 5번 위치에서 하이드록실화된다. 헴 D는 낮은 산소 장력에서 많은 유형의 세균이 산소를 물로 환원시키는 부위이다.[84]
  • '''헴 S'''는 2번 위치에서 2-비닐기 대신 폼일기를 가짐으로써 헴 B와 관련된다. 헴 S는 몇몇 종의 해양 벌레의 헤모글로빈에서 발견된다. 헴 B와 헴 S의 정확한 구조는 독일의 화학자 한스 피셔에 의해 처음으로 밝혀졌다.[85]

4. 합성

헴은 아미노산인 글리신과 시트르산 회로에서 생성되는 석시닐-CoA로부터 시작하여 여러 단계를 거쳐 합성된다. 헴 합성 경로는 다음과 같다.

헴 합성 과정
단계반응효소위치설명
1글리신 + 석시닐-CoA → δ-아미노레불린산아미노레불린산 생성효소미토콘드리아포르피린과 헴 합성의 속도 결정 단계. 철과 결합하지 않은 포르피린 중간체의 축적을 막기 위해 Fe2+의 존재 유무에 따라 엄격하게 관리된다.
22 δ-아미노레불린산 → 포르포빌리노겐아미노레불린산 탈수 효소세포질δ-아미노레불린산 2분자가 탈수 축합되어 피롤 환 구조를 가진 포르포빌리노겐이 된다.
34 포르포빌리노겐 → 히드록시메틸빌란포르포빌리노겐 탈아미노 효소세포질포르포빌리노겐 4분자가 암모니아를 탈리하여 결합하면 피롤 4개가 직선으로 연결된 히드록시메틸빌란이 생성된다.
4히드록시메틸빌란 → 우로포르피리노젠 III우로포르피리노젠 III 합성 효소세포질히드록시메틸빌란이 축합되어 고리를 형성하면 우로포르피리노젠 III이 된다.
5우로포르피리노젠 III → 코프로포르피리노젠 III우로포르피리노젠 III 탈탄산 효소세포질우로포르피리노젠 III의 4개의 아세트산기가 탈탄산되어 메틸기가 된 것이 코프로포르피리노젠 III이다.
6코프로포르피리노젠 III → 프로토포르피리노젠 IX코프로포르피리노젠 산화 효소미토콘드리아코프로포르피리노젠 III의 2개의 프로피온산기가 산화되어 비닐기로 변환되면 프로토포르피리노젠 IX가 된다.
7프로토포르피리노젠 IX → 프로토포르피린 IX프로토포르피리노젠 산화 효소미토콘드리아프로토포르피리노젠 IX가 산화되면 공액된 포르피린 고리가 형성되어 프로토포르피린 IX가 생성된다.
8프로토포르피린 IX + Fe2+ → 헴철 부가 효소미토콘드리아프로토포르피린 IX에 철이 배위된 것이 헴이다.


4. 1. 주요 합성 경로

헴을 생성하는 효소적 과정은 모든 중간생성물이 화학적으로 포르피린으로 분류되는 테트라피롤이므로 포르피린 합성이라고 부르는 것이 적절하다. 이 과정은 생물학 전반에 걸쳐 고도로 보존되어 있다. 사람의 경우 이 대사 경로는 거의 독점적으로 헴을 형성하는 역할을 한다. 세균에서는 보조 인자 F430과 코발라민(비타민 B12)과 같은 더 복잡한 물질도 생산한다.[89]

이 경로는 아미노산인 글리신과 시트르산 회로에서 석시닐-CoA가 합성되면서 시작되며, δ-아미노레불린산(dALA 또는 δALA)이 합성된다. 이 반응을 담당하는 속도 제한 효소인 ALA 생성효소는 포도당과 헴 농도에 의해 음성적으로 조절된다. 헴 또는 헤민에 의한 ALA 생성효소의 저해 메커니즘은 mRNA 합성의 안정성을 감소시키고 미토콘드리아에서 mRNA의 유입을 감소시키는 것이다. 이 메커니즘은 치료적으로 중요하다. 아르긴산 헴 또는 하마틴과 포도당을 주입하면 ALA 생성효소의 전사를 감소시켜 이 과정의 선천적 대사 이상이 있는 환자의 급성 간헐성 포르피린증의 발병을 중단시킬 수 있다.[90]

헴 합성에 주로 관여하는 기관은 간(전신의 헴 풀에 따라 합성 속도가 매우 다양함)과 골수(헴 합성 속도는 상대적으로 일정하고 글로빈 사슬의 생성에 따라 다름)이지만 모든 세포가 제대로 기능하려면 헴이 필요하다. 그러나 독성으로 인해 헤모펙신(Hx)과 같은 단백질이 합성에 사용되기 위해 생리학적 철분 저장을 유지하는 데 도움이 되어야 한다.[91] 헴은 빌리루빈 대사 과정에서 헤모글로빈의 이화작용의 중간생성물로 간주된다. 헴 합성시 다양한 효소의 결함으로 인해 포르피린증이라는 이상이 발생할 수 있으며 여기에는 급성 간헐성 포르피린증, 선천성 적혈구성 포르피린증, 만발성 피부 포르피린증, 유전성 코프로포르피린증, 혼합 포르피린증, 적혈구형성 프로토포르피린증이 포함된다.[92]

4. 2. 조절

헴 합성은 주로 간과 골수에서 일어난다. 간에서는 전신의 헴 풀(pool)에 따라 합성 속도가 매우 다양하며, 골수에서는 글로빈 사슬의 생성에 따라 비교적 일정한 속도로 합성된다. 모든 세포가 제대로 기능하려면 헴이 필요하지만, 독성 때문에 헤모펙신(Hx)과 같은 단백질이 합성에 사용될 철분을 보관하는 데 도움을 준다.[91]

헴 합성 경로는 아미노산인 글리신과 시트르산 회로의 석시닐-CoA로부터 δ-아미노레불린산(dALA 또는 δALA)이 합성되면서 시작된다. 이 반응을 담당하는 속도 제한 효소인 ALA 생성효소는 포도당과 헴 농도에 의해 음성적으로 조절된다. 헴 또는 헤민에 의한 ALA 생성효소의 저해 메커니즘은 mRNA 합성의 안정성을 감소시키고 미토콘드리아에서 mRNA의 유입을 감소시키는 것이다.[90] 이러한 조절 기전은 치료적으로도 중요한데, 아르긴산 헴 또는 하마틴과 포도당을 주입하면 ALA 생성효소의 전사를 감소시켜 급성 간헐성 포르피린증과 같은 선천적 대사 이상 질환자의 발병을 중단시킬 수 있다.[90]

5. 분해

헴은 주로 지라의 대식세포에서 분해되며, 이 과정은 순환계에서 낡고 손상된 적혈구를 제거하는 역할을 한다. 헴 분해는 여러 단계를 거쳐 빌리루빈을 생성하고, 최종적으로 대변과 소변을 통해 몸 밖으로 배출된다.

5. 1. 분해 과정

헴 분해


헴 분해는 지라의 대식세포 내부에서 시작되며, 순환계에서 낡고 손상된 적혈구를 제거한다.

첫 번째 단계에서 헴은 헴 산소화효소(HO)에 의해 빌리베르딘으로 전환된다.[96] 이 반응에는 환원제로 NADPH가 사용되며, 산소 분자가 반응에 들어가 일산화 탄소(CO)가 생성되고, 철은 제일철 이온(Fe2+)으로 분자에서 방출된다.[97] 일산화 탄소는 세포 신호전달자 역할을 하며 혈관 확장 기능을 한다.[98]

헴 분해는 산화 스트레스에 대한 진화적으로 보존된 반응으로 보인다. 세포가 자유 라디칼에 노출되면 헴을 분해하는 스트레스 반응성 헴 산소화효소-1(HMOX1) 동질효소의 발현이 빠르게 유도된다.[99] 다량의 유리 헴이 축적되면 헴 해독/분해 시스템이 압도되어 헴이 해로운 효과를 발휘할 수 있게 된다.[91]

두 번째 반응에서 빌리베르딘은 빌리베르딘 환원효소(BVR)에 의해 빌리루빈으로 전환된다.[100]

빌리루빈은 단백질(혈청 알부민)과 결합하여 촉진 확산을 통해 간으로 운반되며, 여기서 글루쿠론산과 결합하여 수용성이 높아진다. 이 반응은 UDP-글루쿠로노실기전이효소에 의해 촉매된다.[101]

이러한 형태의 빌리루빈은 간에서 쓸개즙으로 배설된다. 간에서 담도소관으로의 빌리루빈 배설은 활동적이고 에너지 의존적이며 속도 제한 과정이다. 장내 세균은 빌리루빈 다이글루쿠로나이드를 분리하여 유리 빌리루빈을 방출하는데, 이는 세균의 효소인 빌리루빈 환원효소에 의해 재흡수되거나 유로빌리노젠으로 환원될 수 있다.[102]

일부 유로빌리노젠은 장 세포에 흡수되어 콩팥으로 운반되며 소변으로 배설된다(유로빌리노젠의 산화 산물이며 소변의 노란색을 담당하는 유로빌린). 나머지는 소화관을 따라 이동하여 스테르코빌리노젠으로 전환된다. 스테로코빌리노젠은 스테르코빌린으로 산화되어 배설되며 대변의 갈색이 되는 원인이 된다.[103]

6. 건강 및 질병

항상성 상태에서 헴의 반응성은 헴단백질의 "헴 포켓"에 삽입되어 제어된다. 그러나 산화 스트레스 하에서는 일부 헴단백질(예: 헤모글로빈)이 헴 보결분자단을 방출할 수 있다.[104][105] 이렇게 생성된 단백질에 결합되지 않은 유리 헴은 세포독성이 매우 높은데, 이는 프로토포르피린 IX 고리 내 철 원자가 자유 라디칼 생성을 촉매하는 펜톤 시약 역할을 하기 때문이다.[106]

유리 헴은 단백질 산화 및 응집, 지질과산화를 통한 세포독성 과산화지질 형성, 산화 스트레스를 통한 DNA 손상을 유발한다. 또한 친유성 특성으로 인해 미토콘드리아 및 핵과 같은 세포소기관의 지질 이중층을 손상시킨다.[107] 이러한 특성 때문에 유리 헴은 말라리아[108] 및 패혈증[109]과 같은 특정 염증성 질환에서 프로그램된 세포 사멸을 유발하여 질병 발생에 기여한다.

6. 1. 포르피린증(Porphyria)

헴을 생성하는 효소적 과정을 포르피린 합성이라고 하며, 이 과정은 생물학 전반에 걸쳐 고도로 보존되어 있다. 사람의 경우 이 대사 경로는 거의 독점적으로 헴을 형성하는 역할을 한다. 그러나 헴 합성 시 다양한 효소의 결함으로 인해 포르피린증이라는 이상이 발생할 수 있다.[92] 포르피린증에는 급성 간헐성 포르피린증, 선천성 적혈구성 포르피린증, 만발성 피부 포르피린증, 유전성 코프로포르피린증, 혼합 포르피린증, 적혈구형성 프로토포르피린증이 포함된다.[92]

아미노레불린산 생성효소는 글리신과 석시닐-CoA가 δ-아미노레불린산으로 축합하는 것을 매개하는 효소이며, 포르피린과 헴의 생합성의 속도 제한 효소이다.[56] 헴 또는 헤민에 의한 ALA 생성효소의 저해 메커니즘은 mRNA 합성의 안정성을 감소시키고 미토콘드리아에서 mRNA의 유입을 감소시키는 것이다. 아르긴산 헴 또는 하마틴과 포도당을 주입하면 ALA 생성효소의 전사를 감소시켜 급성 간헐성 포르피린증의 발병을 중단시킬 수 있다.[90]

헴 합성 회로에서 세포질 내 히드록시메틸빌란이 우로포르피리노젠 III 신타제에 의해 축합되어 고리를 형성하면 우로포르피리노젠 III이 된다. 이때, 우로포르피리노젠 III 신타제의 작용에 의해 4개의 피롤 고리가 정연하게 배열된 히드록시메틸빌란의 한쪽 끝 피롤 고리 하나만이 반전되어 축합되어 고리를 형성한다. 우로포르피리노젠 III 신타제가 작용하지 않을 경우, 피롤 고리가 정연하게 배열된 채로 히드록시메틸빌란이 자발적으로 순환되어 우로포르피리노젠 I이 생성된다. 우로포르피리노젠 I은 우로포르피리노젠 탈탄산 효소의 기질이 되어 코프로포르피리노젠 I으로 변환되지만, 이는 코프로포르피리노젠 산화 효소의 기질이 되지 않아 프로토포르피린에 이르지 못한다.[57] 이처럼 우로포르피리노젠 I과 코프로포르피리노젠 I이 축적되는 것이 포르피린증의 원인 중 하나가 될 수 있다.

6. 2. 기타 질환

항상성 상태에서 헴은 헴단백질 속 "헴 포켓"에 삽입되어 반응성이 제어된다. 그러나 산화 스트레스 상황에서는 일부 헴단백질(예: 헤모글로빈)이 헴 보결분자단을 방출할 수 있다.[104][105] 이렇게 생성된 유리 헴(Free heme)은 세포독성이 매우 높은데, 이는 프로토포르피린 IX 고리 내 철 원자가 자유 라디칼 생성을 촉매하는 펜톤 시약 역할을 하기 때문이다.[106] 유리 헴은 단백질 산화 및 응집, 지질과산화를 통한 세포독성 과산화지질 형성, 산화 스트레스를 통한 DNA 손상을 유발하고, 미토콘드리아 및 핵 등 세포소기관의 지질 이중층을 손상시킨다.[107] 이러한 특성으로 인해 유리 헴은 말라리아[108] 및 패혈증[109]과 같은 염증성 질환에서 프로그램된 세포 사멸을 유발하여 질병 발생에 기여한다.

고기에서 나오는 헴 철분을 다량 섭취하면 결장암 위험이 증가할 수 있다.[110] 붉은색 고기는 닭고기와 같은 흰색 고기보다 헴 함량이 10배나 높다.[111] 미국 암 연구소(AICR)와 세계 암 연구 기금(WCRF)은 헴 철분 함유 식품이 대장암 위험을 증가시킨다는 제한적이지만 암시적인 증거가 있다고 결론지었다.[112] 2019년 연구에서는 헴 철분 섭취가 유방암 위험 증가와 관련이 있는 것으로 나타났다.[113]

7. 임파서블 푸즈의 헴 합성

임파서블 푸즈는 식물성 대체육 생산 업체로, 대두 뿌리의 레그헤모글로빈과 효모를 이용하는 헴 합성 공정을 사용한다. 이 공정을 통해 만들어진 헴은 비건 임파서블 버거 패티와 같은 제품에 첨가된다. 레그헤모글로빈 생산을 위한 DNA는 대두의 뿌리혹에서 추출되어 효모 세포에서 발현되는데, 이를 통해 고기가 없는 버거에 사용할 헴을 대량생산한다.[93] 이 과정을 통해 만들어진 제품은 고기 맛이 난다고 알려져 있다.[94][95]

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