Hemoglobina wiąże tlen poprzez rdzewienie na poziomie atomowym. Cząsteczka hemoglobiny w czerwonych krwinkach jest tym, co Biuro Naukowe Departamentu Energii USA nazywa "metaloproteiną". Oznacza to, że jest to białko, które zawiera trochę metalu, żelaza w tym przypadku, w jego strukturę. Każda cząsteczka hemoglobiny zawiera cztery związane atomy żelaza, które działają wspólnie, przenosząc tlen z płuc, gdzie jest obficie, do innych części ciała.
Według strony internetowej Narodowego Centrum Informacji o Biotechnologii, atomy żelaza przenoszone przez hemoglobinę reagują na obecność tlenu w taki sam sposób jak zwykle żelazo, wiążąc się z nim w procesie zwanym utlenianiem. Otrzymany związek, tlenek żelaza, nazywany jest rdzą, gdy znajduje się na zewnątrz ciała. Wewnątrz czerwonych krwinek te utlenione cząsteczki hemoglobiny utrzymują ładunek tlenu, aż dotrą do części ciała, która nie ma wystarczającej ilości tlenu, gdzie jest uwalniana.
W tym samym artykule zauważono, że cztery podjednostki cząsteczki hemoglobiny współpracują ze sobą, aby skutecznie wiązać tlen w środowiskach bogatych w tlen, ale efekt ten słabnie w środowiskach ubogich w tlen. Ta nierównomierna reakcja sprawia, że hemoglobina chętnie wiąże się z tlenem w płucach i tak samo chętna do rozstania się z nią w obecności żądnej tlenu komórki, po czym cykl zaczyna się od nowa.
