La hemoglobina se une al oxígeno al oxidarse en el nivel atómico. La molécula de hemoglobina en los glóbulos rojos es lo que la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los EE. UU. llama "metaloproteína". Es decir, es una proteína que incorpora algo de metal, hierro en este caso, en su estructura. Cada molécula de hemoglobina transporta cuatro átomos de hierro unidos que trabajan de manera cooperativa para transportar oxígeno desde los pulmones, donde es abundante, a otras partes del cuerpo.
Según el sitio web del Centro Nacional de Información Biotecnológica, los átomos de hierro transportados por la hemoglobina reaccionan a la presencia de oxígeno de la misma manera que lo hace el hierro, al unirse con él en un proceso llamado oxidación. El compuesto resultante, óxido de hierro, se llama óxido cuando se encuentra fuera del cuerpo. Dentro de los glóbulos rojos, estas moléculas de hemoglobina oxidadas retienen su carga de oxígeno hasta que llegan a una parte del cuerpo que no tiene suficiente oxígeno, donde luego se libera.
El mismo artículo señala que las cuatro subunidades de la molécula de hemoglobina trabajan juntas para unir el oxígeno de manera muy eficiente en ambientes ricos en oxígeno, pero el efecto se debilita en ambientes pobres en oxígeno. Esta reacción desigual hace que la hemoglobina esté ansiosa por unirse con el oxígeno en los pulmones y tan ansiosa por separarse de ella en presencia de una célula hambrienta de oxígeno, con lo cual el ciclo comienza de nuevo.
