Porfirin adalah senyawa siklik yang tersusun atas empat cincin pirol yang dihubungkan oleh jembatan metenil. Atom nitrogen pada cincin porfirin mampu mengikat ion logam. Protoporfirin IX mengikat Fe²⁺ untuk membentuk heme, Fe³⁺ untuk membentuk hemin, atau Zn²⁺ untuk membentuk zinc protoporphyrin. Heme kemudian bergabung dengan protein membentuk hemoglobin, mioglobin, dan sitokrom.
Sekitar 85 persen sintesis heme berlangsung dalam sel pembentuk eritrosit di sumsum tulang. Proses dimulai di mitokondria ketika suksinil-KoA dan glisin membentuk asam δ-aminolevulinat dengan bantuan ALA-sintase dan piridoksal fosfat. ALA kemudian diubah menjadi porfobilinogen, hidroksimetilbilan, uroporfirinogen III, dan koproporfirinogen III. Tahap berikutnya menghasilkan protoporfirinogen IX dan protoporfirin IX. Ferokelatase akhirnya memasukkan Fe²⁺ ke dalam protoporfirin IX untuk menghasilkan heme.
ALA-sintase merupakan enzim regulator utama dalam biosintesis heme. Heme menghambat pembentukan ALA-sintase melalui mekanisme umpan balik negatif. Barbiturat dan kontrasepsi oral dapat meningkatkan sintesis ALA, sedangkan timbal menghambat ALA-dehidratase dan ferokelatase. Pada defisiensi besi, Zn²⁺ dapat menggantikan Fe²⁺ dan membentuk zinc protoporphyrin yang berguna sebagai indikator klinis kekurangan besi.
Porfiria merupakan kelompok gangguan biosintesis heme akibat kelainan enzim pada tahapan tertentu. Sebagian besar diwariskan secara dominan, sedangkan porfiria eritropoietik kongenital bersifat resesif. Manifestasinya dapat berupa nyeri abdomen, serangan neuropsikiatri, dan fotosensitivitas kulit. Tabel menunjukkan porfiria intermiten akut terutama menimbulkan serangan neurologis, sedangkan porfiria kutanea tarda dominan mengenai kulit. Koproporfiria herediter dan porfiria variegata dapat menimbulkan kombinasi gangguan kulit, abdomen, dan saraf.
Eritrosit berumur sekitar 120 hari sebelum dihancurkan oleh sistem retikuloendotelial di hati dan limpa. Sekitar 85 persen heme yang diuraikan berasal dari eritrosit, sedangkan sisanya berasal dari eritrosit imatur dan sitokrom jaringan. Heme oksigenase mengubah heme menjadi biliverdin sambil melepaskan besi dan karbon monoksida. Biliverdin kemudian direduksi menjadi bilirubin tak terkonjugasi. Karena tidak larut dalam air, bilirubin ini harus berikatan dengan albumin untuk diangkut dalam plasma.
Bilirubin tak terkonjugasi masuk ke hepatosit dan berikatan dengan protein ligandin. Enzim bilirubin glukuroniltransferase menambahkan dua molekul asam glukuronat untuk membentuk bilirubin diglukuronida. Konjugasi meningkatkan kelarutan bilirubin dalam air sehingga dapat disekresikan secara aktif ke empedu. Di usus, bakteri mengubahnya menjadi urobilinogen yang sebagian diserap kembali melalui sirkulasi enterohepatik. Sisanya menjadi sterkobilin yang memberi warna feses atau urobilin yang dikeluarkan melalui urine.
Kadar bilirubin normal berada sekitar 0,1–1 mg/dL dan sebagian besar berbentuk tak terkonjugasi. Kadar 1–2 mg/dL dapat disebut hiperbilirubinemia tersembunyi karena belum selalu menimbulkan gejala klinis. Ikterus biasanya tampak ketika bilirubin melebihi 2 mg/dL dan menyebabkan kulit serta sklera berwarna kuning. Bilirubin bebas dapat memasuki sistem saraf pusat dan menimbulkan kernikterus pada neonatus, terutama ketika albumin rendah atau ikatannya terganggu obat tertentu. Ikterus sendiri merupakan tanda dari gangguan yang mendasari, bukan suatu penyakit tunggal.
Ikterus prehepatik terjadi akibat hemolisis berlebihan, seperti pada malaria, talasemia, anemia sel sabit, reaksi imun, atau perdarahan masif. Ikterus hepatik disebabkan oleh gangguan konjugasi, kerusakan hepatosit, hepatitis, sirosis, kanker, obat, atau toksin. Ikterus pascahepatik terjadi akibat sumbatan aliran empedu oleh batu, tumor, parasit, atau pankreatitis. Tabel diagnosis menunjukkan bahwa bilirubin urine tidak ditemukan pada ikterus prehepatik, sedangkan urobilinogen masih ada; pada obstruksi pascahepatik, bilirubin urine ditemukan tetapi urobilinogen tidak ada. Peningkatan AST atau ALT lebih mendukung kerusakan hepatoseluler, sedangkan peningkatan fosfatase alkali lebih menonjol pada obstruksi bilier.