Hemoglobina jest złożoną cząsteczką białka zbudowaną z czterech podjednostek polipeptydów lub globin, które są łańcuchami aminokwasów. Te podjednostki globiny wiążą się z nie-ptoreinowymi grupami hemowymi zawierającymi jon żelaza, który może wiązać się z tlenem. Te jony żelaza są z kolei zamknięte w pierścieniach zwanych porfirynami.
Ponieważ hemoglobina zawiera żelazo, jest uważana za metaloproteinę. Cztery atomy azotu w pierścieniu porfiryny działają z jonem żelaza. Kiedy jon żelaza wiąże się z tlenem, staje się głębszy czerwony kolor.
Hemoglobina ma dwa białka, które pozwalają jej przenosić i uwalniać tlen. U dorosłych są one alfa-globiną i beta-globiną, ale w czasie ciąży gamma-globina działa zamiast beta-globiny w hemoglobinie płodowej.
Kiedy czerwone krwinki dostają się do pęcherzyków płucnych, hemoglobina w ich obrębie łączy się z tlenem tworząc oksyhemoglobinę. Ponieważ komórki krwi krążą po całym ciele, hemoglobina oddaje tlen do tkanek. Hemoglobina wchodząca w skład globiny pobiera dwutlenek węgla, materiał odpadowy i uwalnia go z powrotem do pęcherzyków płucnych. Hemoglobina może jednocześnie przenosić tlen i dwutlenek węgla.
Krwinki czerwone składają się prawie wyłącznie z hemoglobiny, ale hemoglobina znajduje się również w neuronach, pęcherzykach i krwinkach białych zwanych makrofagami.
