A hemoglobina liga oxigênio nos íons de ferro (Fe²⁺) dentro de seus quatro grupos heme. Cada tetrâmero de hemoglobina contém quatro grupos heme, permitindo que transporte até quatro moléculas de O₂ simultaneamente.
Essa ligação cooperativa permite carregamento eficiente de oxigênio nos pulmões (alta pO₂) e descarga nos tecidos (baixa pO₂) por difusão dos capilares para o fluido intersticial e células. A curva sigmóide de dissociação oxigênio-hemoglobina reflete essa regulação alostérica.