Globine: Hemoglobine bestaat uit vier polypeptidesubeenheden die globines worden genoemd. Deze subeenheden zijn gerangschikt in een tetramere structuur, met twee alfa- en twee betaglobineketens. Elke globineketen bestaat uit een lineaire reeks aminozuren die zich in een specifieke driedimensionale structuur vouwen.

Heme: Elke globine-subeenheid bindt aan een heemgroep. Heme is een ijzerhoudend porfyrinemolecuul. Het ijzerion in heem is gebonden aan vier stikstofatomen van de porfyrinering en aan een vijfde stikstofatoom van een histidineresidu uit de globineketen. De zesde coördinatiepositie van het ijzerion is beschikbaar om zuurstofmoleculen te binden.

Zuurstofbinding: Zuurstofmoleculen binden zich aan de ijzerionen van de heemgroepen in hemoglobine. Elk hemoglobinemolecuul kan maximaal vier zuurstofmoleculen binden, één aan elk van de vier heemgroepen. De binding van zuurstof aan hemoglobine is een coöperatief proces, wat betekent dat de binding van zuurstof aan één heemgroep de affiniteit van de andere heemgroepen voor zuurstof vergroot. Door deze coöperatieve binding kan hemoglobine zuurstof efficiënt binden en vrijgeven als reactie op veranderingen in de zuurstofconcentratie in het lichaam.

Allosterische regulatie: De binding van zuurstof aan hemoglobine wordt gereguleerd door allosterische effectoren. Allosterische effectoren zijn moleculen die zich binden aan hemoglobine en de affiniteit ervan voor zuurstof veranderen. De belangrijkste allosterische effector is koolstofdioxide. Kooldioxide bindt zich aan hemoglobine en vermindert de affiniteit ervan voor zuurstof. Dit is de reden waarom de afgifte van zuurstof uit hemoglobine toeneemt in weefsels waar het kooldioxidegehalte hoog is, zoals in ademende weefsels.

Andere allosterische effectoren van hemoglobine omvatten waterstofionen (H+), chloride-ionen (Cl-) en bepaalde organische fosfaten, zoals 2,3-bisfosfoglyceraat (BPG). Deze allosterische effectoren kunnen zich binden aan hemoglobine en de affiniteit ervan voor zuurstof verhogen of verlagen, afhankelijk van de specifieke effector.