Haem: Hem grubu, merkezinde demir iyonu (Fe2+) bulunan bir porfirin halkasıdır. Porfirin halkası, metin köprüleriyle birbirine bağlanan dört pirol halkasından oluşur. Demir iyonu, pirol halkalarından dört nitrojen atomu ile porfirin halkasına bağlanır.
Globin zincirleri: Hemoglobinin dört globin zinciri alfa, beta, gama ve delta olarak adlandırılır. Yetişkinlerde hemoglobinin en yaygın şekli olan hemoglobin A, iki alfa zinciri ve iki beta zincirinden oluşur. Hemoglobin A2 ve hemoglobin F gibi diğer hemoglobin türleri, farklı globin zincir kombinasyonlarına sahiptir.
Hemoglobinin dört polipeptit zinciri tetramerik bir yapıda düzenlenmiştir; dört hem grubu, globin zincirleri arasındaki yarıklara yerleştirilmiştir. Hem grupları globin zincirlerine hidrofobik etkileşimler ve hidrojen bağları ile bağlanır.
Oksijen bağlama: Hemoglobin, oksijen moleküllerini hem gruplarındaki demir iyonlarına geri dönüşümlü olarak bağlar. Oksijen konsantrasyonu yüksek olduğunda, hemoglobin oksijen moleküllerini bağlar ve oksijenlenir. Oksijen konsantrasyonu düşük olduğunda, hemoglobin oksijen moleküllerini serbest bırakır ve oksijeni giderilir.
Oksijenin hemoglobine bağlanması işbirlikçidir; bu, bir oksijen molekülünün hemoglobine bağlanmasının diğer hem gruplarının oksijene olan afinitesini arttırdığı anlamına gelir. Bu işbirliği, hemoglobin molekülü oksijene bağlandığında meydana gelen konformasyonel değişikliklerden kaynaklanmaktadır.
Oksijenin hemoglobine ortak bağlanması, kırmızı kan hücrelerinin büyük miktarlarda oksijeni verimli bir şekilde taşımasına olanak tanır. Hemoglobin, dokulardaki oksijen konsantrasyonundaki değişikliklere yanıt olarak oksijen moleküllerini bağlayabilir ve serbest bırakabilir, böylece dokuların sürekli bir oksijen kaynağı almasını sağlar.