**헴**은 혈액에서 산소를 결합시키는 데 필요한 헤모글로빈의 고리 모양의 철 함유 분자 성분이다. 헴은 2개의 비닐기와 2개의 프로피온산 곁사슬을 가진 4개의 피롤 고리로 구성된다. 헴은 골수와 간 모두에서 생합성된다.

헴은 산소 부분을 운반하는 능력으로 인해 포유류의 다양한 산화환원 반응에서 중요한 역할을 한다. 반응에는 산화적 대사, 사이토크롬 P450 경로를 통한 생체이물 해독(일부 약물의 대사 포함), 기체 감지 및 마이크로 RNA 처리(DGCR8)가 포함된다.

생화학적 용어로 헴은 "4자리 리간드 역할을 하는 포르피린과 하나 또는 두 개의 축 리간드에 배위된 철 이온으로 구성된" 배위 화합물이다.

헴이라는 용어는 "혈액(blood)"를 의미하는 그리스어 " (haima)"로부터 유래되었다.

## 기능
헴단백질은 이원자 기체 운반, 화학 촉매 작용, 이원자 기체 감지 및 전자 전달을 포함한 다양한 생물학적 기능을 가지고 있다. 헴 철은 전자 전달 또는 산화환원 반응이 일어나는 동안 전자 공여체 또는 전자 수용체 역할을 한다. 과산화효소가 촉매하는 반응에서 포르피린 분자는 전자 공여체 역할도 하며 공액 고리에서 라디칼 전자를 비편재화할 수 있다. 이원자 기체의 운반이나 검출에서 기체는 헴 철과 결합한다. 이원자 기체를 검출하는 동안 기체 리간드가 헴 철에 결합하면 주변 단백질의 입체구조적 변화가 유도된다. 일반적으로 이원자 기체는 Fe(II)처럼 환원된 헴에만 결합하는 반면, 대부분의 과산화효소는 Fe(III)와 Fe(IV) 사이를 순환하고 미토콘드리아에서의 산화환원반응, 산화 및 환원, Fe(II)와 Fe(III)사이의 순환에 관여하는 헴단백질이다.

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

헴단백질은 단백질 내의 헴 거대고리의 환경을 변형함으로써 놀라운 기능적 다양성을 달성한다.

## 종류

### 주요 헴
생물학적으로 중요한 몇 가지 종류의 헴은 다음의 표와 같다.

가장 일반적인 유형은 헴 B이다. 다른 중요한 유형으로는 헴 A와 헴 C가 있다. 분리된 헴은 일반적으로 대문자로 표기되는 반면, 단백질에 결합된 헴은 소문자로 표기된다. 사이토크롬 ''a''는 사이토크롬 ''c'' 산화효소의 일부를 형성하는 막 단백질과 특이적으로 결합된 헴 A를 지칭한다.

### 기타 헴
사이토크롬의 이름은 일반적으로(항상 그런 것은 아님) 포함하고 있는 헴의 종류를 반영한다. 사이토크롬 ''a''는 헴 A를 포함하고, 사이토크롬 ''c''는 헴 C를 포함한다. 이러한 관례는 헴 A의 구조가 발표될 때 아마도 처음으로 적용되었다.

### 헴의 종류를 지정하기 위한 대문자의 사용
대문자로 헴을 지정하는 고나행은 푸스티넨(Puustinen)과 위크스트롬(Wikstrom) 코헤이의 연구팀은 헴 A 뿐만 아니라 분리된 헴 B와 헴 C에도 대문자를 사용했다.

## 합성
모든 중간생성물은 화학적으로 포르피린으로 분류되는 테트라피롤이므로 헴을 생성하는 효소적 과정을 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 B

이 경로는 아미노산인 글리신으로부터 δ-아미노레불린산(dALA 또는 δALA)이 합성되고 시트르산 회로에서 석시닐-CoA가 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. 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.

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. 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.

## 식품을 위한 합성
식물성 대체육을 생산하는 임파서블 푸즈는 대두 뿌리의 레그헤모글로빈과 효모를 포함하는 가속화된 헴 합성 공정을 사용하여 고기가 없는(비건) 임파서블 버거 패티와 같은 품목에 생성된 헴을 첨가한다. 레그헤모글로빈 생산을 위한 DNA는 대두의 뿌리혹에서 추출되었으며 고기 없는 버거에 사용하기 위한 헴을 과잉생산했다.

## 분해
분해는 지라의 대식세포 내부에서 시작되며 순환계에서 오래되고 손상된 적혈구를 제거한다.

첫 번째 단계에서 헴은 헴 산소화효소(HO)에 의해 빌리베르딘으로 전환된다.

또한 헴 분해는 산화 스트레스에 대한 진화적으로 보존된 반응인 것으로 보인다. 간단히 말하면, 세포가 자유 라디칼에 노출되면 헴을 분해하는 스트레스 반응성 헴 산소화효소-1(HMOX1) 동질효소의 발현이 빠르게 유도된다(아래 참조). 세포가 산화 스트레스에 반응하여 헴을 분해하는 능력을 기하급수적으로 증가시켜야 하는 이유는 불분명하지만 이는 유리 헴의 유해한 효과를 피하는 세포 보호 반응의 일부인 것으로 보인다. 다량의 유리 헴이 축적되면 헴 해독/분해 시스템이 압도되어 헴이 해로운 효과를 발휘할 수 있게 된다.

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

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

이러한 형태의 빌리루빈은 간에서 쓸개즙으로 배설된다. 간에서 담도소관으로의 빌리루빈의 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.

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 배설며며 대변의 갈색이 되는 원인이 된다.

## 건강 및 질병에서
항상성 하에서 헴의 반응성은 헴단백질의 "헴 포켓"에 삽입되어 제어된다. 그러나 산화 스트레스 하에서는 일부 헴단백질(예: 헤모글로빈)은 헴 보결분자단을 방출할 수 있다.과 같은 특정 염증성 질환의 발병에 중요한 역할을 하는 해로운 효과인 전염증성 작용제에 반응하여 프로그램된 세포 사멸을 겪도록 다양한 세포 유형을 민감하게 만들 수 있다.

### 암
고기에서 나오는 헴 철분의 다량 섭취와 결장암의 위험 증가 사이에는 연관성이 있다.

미국 암 연구소(AICR)와 세계 암 연구 기금(WCRF)은 보고서에서 헴 철을 함유한 식품이 대장암 위험을 증가시킨다는 제한적이지만 암시적인 증거가 있다고 결론지었다.

## 유전자
다음의 유전자들은 헴을 만드는 화학적 경로의 일부이다.

## 각주
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