폐에서 세포로 산소를 운반하고, 세포에서 폐로 CO₂를 운반하여 제거하는 혈액 내의 단백질철 복합체를 헤모글로빈이라고 한다. 각 적혈구는 200～300개 분자의 헤모글로빈을 함유하며, 헤모글로빈은 여러 분자의 헴(heme)을 가지고, 헴 분자 1개는 산소분자 1개를 운반할 수 있다. 하나의 헤모글로빈은 4개의 글로빈 폴리펩티드 사슬을 함유한다. 각 폴리펩티드 사슬은 수백 개의 아미노산으로 구성된다. 단지 하나의 아미노산만 없거나 대체 또는 추가되어도 헤모글로빈의 특성이 바뀐다. 또 특정 폴리펩티드 사슬의 조합으로 서로 다른 종류의 헤모글로빈이 된다. 혈액 내 헤모글로빈의 정상 농도는 여자는 12～16g/㎗, 남자는 13.5～18g/㎗이다. 폐와 같은 고농도의 산소 환경에서 헤모글로빈은 산소와 결합하여 산소화 헤모글로빈을 만든다. 말초 조직과 같은 저산소 환경에서는 산소가 탄산가스로 대치되어 일산화탄소헤모글로빈(carboxyhemoglobin)이 된다. 헤모글로빈은 폐에서 일산화탄소헤모글로빈을 방출하고, 세포로의 운반을 위해 더 많은 산소를 취한다.
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