Hb分子由1个珠蛋白和4个血红蛋白组成，每个血红素基因团中心为一个二价铁（Fe2+）,Fe2+可与O2结合，使Hb成为氧合血红蛋白（HbO2），没有结合O2的Hb称为去氧血红蛋白。每个珠蛋白有4多肽链，每条多肽链与1个血红素相连接构成Hb的单体或亚单位。Hb的4个单体之间和亚单位内部由盐键连接。Hb与O2的结合或解离将影响盐键的形成活断裂，使Hb发生变构效应，并使之与O2的亲和力也随之改变。
二、Hb与O2结合的特征
2.结合反应是氧化而非氧化Fe2+与O2结合不伴有铁离子价的改变，即Fe2+与O2结合后仍是二价铁，因此，此结合反应是氧合。
3.Hb结合O2的量1分子Hb可结合4分子O2，成年人Hb分子量为6.4458，因此在100%O2饱和状态下，1gHb可结合的最大O2量为1.39ml，通常按1.34ml计算。
（1）Hb氧容量：是指在100ml血液中，Hb所能结合的最大的O2量。健康成年人的血液中Hb浓度为15g/100ml为计，则Hb的氧容量为20.1ml/100ml（血液）
（2）Hb氧含量：是指在100ml血液中，Hb实际结合的O2量。当动脉血PO2为100mmHg，Hb氧含量为19.4ml/100ml，而当静脉血PO2为40mmHg时，Hb含氧量约为14.4ml/100ml。
（3）Hb氧饱和度：是指Hb氧含量与Hb氧容量的百分比。如果PO2达150mmHg，动脉血的Hb含氧量也可达20.1ml/100ml，与Hb氧容量相等，则Hb氧饱和度是100%，也称氧饱和；如果静脉血的Hb含氧量是15ml，则Hb饱和度约为75%。
HbO2呈鲜红色，Hb呈紫蓝色。当血液中Hb含量达5g/100ml(血液)以上时，皮肤，黏膜呈暗紫色，这种现象称为发绀。出现发绀表示机体缺氧。但也有例外，红细胞增多时，Hb含量可达5g/100ml（血液）以上，机体可出现发绀但并不一定缺氧；相反，严重贫血或一氧化碳中毒，机体有缺氧但并不出现发绀。
4.氧解离曲线呈S形氧解离曲线呈S形与Hb的变构效应有关。Hb有两种构象：Hb为紧密型（T形），HbO2为疏松型（R型），两者可相互转换。
三、氧解离曲线
氧解离曲线是表示血液PO2与Hb氧饱和度关系的曲线，也称为氧合血红蛋白解离曲线。
1.氧解离曲线的上段相当于血液PO2在60-100mmHg之间时的Hb氧饱和度，其特点是曲线较平坦，表明在此范围内PO2对Hb氧饱和度或血氧含量影响不大。
2.氧解离曲线的中段相当于血液PO2在40-60mmHg之间时的Hb氧饱和度，其特点是曲线较陡。这段曲线可以反映安静状态下血液对组织的供O2情况。
3.氧解离曲线的下段相当于血液PO2在15-40mmHg之间时的Hb氧饱和度，其特点是曲线最为陡直，表明血液PO2发生较小变化即可导致Hb氧饱和度的明显改变，在组织活动增强时，组织中的PO2可降至15mmHg，HbO2进一步解离，释放出更多O2，Hb氧饱和度也降低至最低水平，血氧含量仅约4.4ml/100ml。
四、影响氧解离曲线的因素
1.血液pH和PCO2的影响血液pH降低或PCO2升高时，Hb对O2的亲和力降低，P50增大，曲线右移；而pH升高或PCO2降低，曲线左移。血液酸度和PCO2对Hb与O2的亲和力的这种影响称为波尔效应。
酸度增加时，H+与Hb多肽链某些氨基酸残基结合，促进盐键的形成，使Hb分子向T型转变，对氧的亲和力降低；而酸度降低时，则促使盐键断裂，释放出H+，使Hb向R型转变，对氧的亲和力增加。当PCO2发生改变时，可通过pH的改变产生间接效应；同时，CO2可与Hb结合而直接降低Hb与氧的亲和力，但作用很小。
波尔效应生理意义：它即可促进肺毛细血管血液摄取氧，又有利于组织毛细血管释放氧。当血液流经肺部时，二氧化碳从血液向肺泡净扩散，血液PCO2降低，H+浓度也降低，两者均使Hb对氧的亲和力增大，曲线左移，促进对氧的结合，使血氧含量增加。当血流流经组织时，二氧化碳从组织向血液净扩散，血液PCO2和H+浓度随之升高，Hb对氧的亲和力降低，曲线右移，促进HbO2解离，从而为组织提供氧。
2.温度的影响温度升高，Hb对氧的亲和力降低，P50增大，氧解离曲线右移，促进氧的释放；而温度降低时，曲线左移，不利于氧的释放而有利于结合。
3.红细胞内2,3-二磷酸甘油酸（2,3-DPG）2,3-DPG浓度升高时，Hb对氧的亲和力降低，P50增大，氧解离曲线右移；反之，曲线左移。这种作用可能是由于2,3-DPG与Hb的β链形成盐键，促使Hb向T型转变；也可能是2,3-DPG提高了细胞内H+浓度，进而通过波尔效应降低Hb对氧的亲和力。
2,3-DPG是红细胞无氧糖酵解的产物。在慢性缺氧、贫血、高山低氧等情况下，糖酵解加强，红细胞内2,3-DPG增加，氧解离曲线右移，有利于HbO2释放较多的氧，改善组织的缺氧状态；但此时红细胞过多的2,3-DPG也会降低Hb在肺部对氧的结合。
4.一氧化碳的影响
Hb与CO结合后呈樱桃红，因而一氧化碳中毒时，机体虽然严重缺氧却不出现发绀。CO中毒时，血液PO2可能是正常的，因而机体虽然缺氧，但不会刺激呼吸运动而增加肺通气。相反却可能抑制呼吸中枢，减少肺通气，进一步加重缺氧。因此，在给CO中毒患者吸O2时，通常时加入5%二氧化碳，以刺激呼吸运动。目前通过高压氧疗来及时治疗一氧化碳中毒，高压氧疗是指密闭的高压氧舱内，在超过一个绝对大气压的条件下的给氧方法，它主要通过大幅度提高PO2，增加氧在血液中的溶解度和氧含量，并促进一氧化碳的解离，从而解除PO2正常患者缺氧。