成熟紅細胞中，血紅蛋白（hemoglobin，Hb）占紅細胞內蛋白質總量的95%，它是血液運輸O2和CO2的最重要物質。血紅蛋白是由4個亞基組成的四聚體，每一亞基由一分子珠蛋白（globin）與一分子血紅素（heme）締合而成。由於珠蛋白的生物合成與一般蛋白質相同，因此本節重點介紹血紅素的生物合成。
血紅素也是其他一些蛋白質，如肌紅蛋白（myoglobin），過氧化氫酶（catalase），過氧化物酶（peroxidase）等的輔基。因而，一般細胞均可合成血紅素，且合成通路相同。在人紅細胞中，血紅素的合成從早幼紅細胞開始，直到網織紅細胞階段仍可合成。而成熟紅細胞不再有血紅素的合成。
一、血紅蛋白的合成過程
血液中的紅細胞主要是成熟的紅細胞和少量網織紅細胞。成熟的紅細胞既無細胞核，又無線粒體和核蛋白體，不能合成血紅蛋白。因此，血紅蛋白是在紅細胞成熟之前合成的。
1.血紅素生物合成血紅素是含鐵卟啉衍生物。卟啉由四個吡咯環組成。血紅素可在體內許多細胞內合成，參與血紅蛋白組成的血紅素主要在骨髓的有核紅細胞及網織紅細胞的線粒體和胞液中合成。血紅素合成的主要原料有琥珀酰輔酶A、甘氨酸和Fe2+，其反應步驟大致如下：
（1） δ-氨基-γ-酮戊酸（δ-aminolevulinic acid，ALA）的生成：在線粒體內，琥珀酰CoA和甘氨酸在ALA合酶的催化下，縮合生成ALA。ALA合酶是卟啉生物合成、也是血紅素生物合成的限速酶，其輔酶是磷酸吡哆醛。
（2） 卟膽原的生成：在胞液中，2分子ALA在ALA脫水酶的催化下，脫水縮合生成1分子卟膽原（prophobilinogen，PBG）。ALA脫水酶含有巰基，對鉛等重金屬的抑製作用十分敏感。
（3） 尿卟啉原Ⅲ及糞卟啉原Ⅲ的生成：在胞液中，4分子卟膽原由卟膽原脫氨酶（prophobilinogen deaminase，PBGD）催化縮合生成1分子線性四吡咯，後者再由尿卟啉原Ⅲ同合酶（UPGⅢcosynthase）催化生成尿卟啉原Ⅲ（UPGⅢ）。這兩種酶協同作用可合成UPGⅢ，若無UPGⅢ同合成酶時，線性四吡咯則環化生成UPG Ⅰ，UPGⅢ和UPGⅠ的差異隻是在卟啉環第7、第8位所連基團恰好相反。在正常情況下，紅細胞UPGⅢ的合成是主要途徑，UPGⅠ極少（UPGⅠ僅占UPGⅢ的萬分之一）。在某些病理情況下，UPGⅢ的合成受阻，生成較多的UPGⅠ。
UPGⅢ進一步經尿卟啉原Ⅲ脫羧酶催化，使其四個乙酰基（A）側鏈脫羧基變為甲基（M），從而生成糞卟啉原Ⅲ（coproporphyrinogenⅢ，CPGⅢ）。
（4） 血紅素的生成：胞液中生成的糞卟啉原Ⅲ擴散進入線粒體，經糞卟啉原Ⅲ氧化脫羧酶作用生成原卟啉原Ⅸ（protoporphyrinogenⅨ，PROⅨ），原卟啉原Ⅸ在由原卟啉原Ⅸ氧化酶催化，使卟啉環的四個亞甲基氧化為次甲基，則轉化生成原卟啉Ⅸ。隨後在血紅素合成酶（又稱亞鐵螯合酶）的催化下，原卟啉Ⅸ與Fe2+螯合生成血紅素。鉛等重金屬對血紅素合成酶有抑製作用。
2.血紅素生物合成的調節血紅素的合成受多種因素的調節，其中最主要的調節步驟是ALA的生成。ALA合酶是血紅素合成過程的限速酶，其活性受下列因素影響：
（1） 血紅素：血紅素對ALA合酶有反饋抑製作用。正常情況下，血紅素合成後迅速與珠蛋白結合形成血紅蛋白，沒有過多的血紅素堆積。過量的血紅素可以抑製ALA合酶的合成，並別構抑製ALA合酶的活性，另外還通過氧化生成高鐵血紅素強烈抑製ALA合酶，從而減慢血紅素的生成速度。
（2） 促紅細胞生成素（erythropoietin，EPO）：是由腎髒產生的一種糖蛋白，由166個氨基酸殘基組成，分子量為34 000。促紅細胞生成素經血液循環運到骨髓等造血組織後，可誘導ALA合酶的合成，從而促進血紅素的合成。當紅細胞比容降低或機體缺氧時，促紅細胞生成素分泌增多，促進血紅素和血紅蛋白的合成，以適應機體運輸氧的需要。慢性腎炎、腎功能不全患者常見的貧血現象與促紅細胞生成素合成量的減少有關。