O oxigênio liga-se ao ferro ferroso (Fe²⁺) dentro do grupo prostético hemo de cada subunidade de hemoglobina. O dióxido de carbono liga-se principalmente aos grupos amino N-terminais das cadeias de globina (formando carbaminohemoglobina) e, em menor extensão, a aminas de cadeia lateral. Esta ligação distinta permite o transporte simultâneo: O₂ no hemo, CO₂ na globina.