Hem: Her globin alt birimi bir hem grubuna bağlanır. Heme, demir içeren bir porfirin molekülüdür. Hem'deki demir iyonu, porfirin halkasının dört nitrojen atomuna ve globin zincirindeki histidin kalıntısının beşinci nitrojen atomuna bağlanır. Demir iyonunun altıncı koordinasyon pozisyonu oksijen moleküllerini bağlamak için mevcuttur.
Oksijen bağlama: Oksijen molekülleri hemoglobindeki hem gruplarının demir iyonlarına bağlanır. Her hemoglobin molekülü, dört hem grubunun her birine bir tane olmak üzere dört oksijen molekülüne bağlanabilir. Oksijenin hemoglobine bağlanması işbirlikçi bir süreçtir; bu, oksijenin bir hem grubuna bağlanmasının diğer hem gruplarının oksijene olan afinitesini arttırdığı anlamına gelir. Bu işbirlikçi bağlanma, hemoglobinin vücuttaki oksijen konsantrasyonundaki değişikliklere yanıt olarak oksijeni verimli bir şekilde bağlamasına ve serbest bırakmasına olanak tanır.
Allosterik düzenleme: Oksijenin hemoglobine bağlanması allosterik efektörler tarafından düzenlenir. Allosterik efektörler hemoglobine bağlanan ve onun oksijene olan afinitesini değiştiren moleküllerdir. En önemli allosterik efektör karbondioksittir. Karbondioksit hemoglobine bağlanarak oksijene olan ilgisini azaltır. Bu nedenle solunum yapan dokular gibi karbondioksit düzeyinin yüksek olduğu dokularda hemoglobinden oksijen salınımı artar.
Hemoglobinin diğer allosterik efektörleri arasında hidrojen iyonları (H+), klorür iyonları (Cl-) ve 2,3-bifosfogliserat (BPG) gibi bazı organik fosfatlar bulunur. Bu allosterik efektörler hemoglobine bağlanabilir ve spesifik efektöre bağlı olarak hemoglobinin oksijene olan afinitesini artırabilir veya azaltabilir.