Las hemoglobinas de los eritrocitos de los vertebrados tienen dos funciones biológicas principales:

Transportar el O2 del  aparato respitatorio a los tejidos periféricos.  

Transportar desde los tejidos periféricos el CO2 y los protones  hasta los pulmones para ser excretados.  

La capacidad de la hemoglobina de ser el transportador de oxígeno a través de la sangre viene determinada por su estructura cuaternaria, y como es natural por la terciaria, secundaria y primaria. Pero es la estructura cuaternaria la que confiere a la hemoglobina propiedades adicionales que le permiten realizar su papel biológico. Así la hemoglobina es un proteína tetramérica (cuatro cadenas polipeptídicas), poseen dos pares de polipéptidos diferentes o unidades monoméricas (denominas a, b). Aunque semejantes en longitud global, por ejemplo en la hemoglobina A los polipéptidos a  son de 141 residuos y de los b de 146 residuos .

La similitud en la estructura tridimensional entre la cadena polipeptídica de la mioglobina y las cadenas a y b de la hemoglobina es sorprende, a pensar que existen muchas diferencias entre las secuencias de aminoácidos de las tres cadenas polipeptídicas. En realidad, las secuencias de las tres cadenas polipeptídicas sólo coincide en 24 de las 141 posiciones (aproximadamente un 20%), lo que demuestra que no es el aminoácido en concreto el que determina la estructura sino el carácter del aminoácido lo que la determina.

La hemoglobina presenta una estructura cuaternaria que le confiere una serie de propiedades que la hacen idónea para el transporte de oxígeno. Fijémonos en las diferencias entre las curva de saturación de oxígeno que presenta la hemoglobina y la mioglobina.

Curvas de disociación del oxígeno de la mioglobina y hemoglobina.

Se define la función de saturación, Y, como la fracción de ocupación de los centros de unión al oxígeno (el tanto por uno de la ocupación de los centros que unen oxígeno). El valor de Y puede variar entre 0 y 1 (0-todos los centros vacíos-, 1-todos los centros ocupados-). La representación de la función de saturación Y frente a la pO2 (presión parcial de oxígeno) se denomina curva de disociación del oxígeno. Las curvas de disociación del oxígeno de la mioglobina  y hemoglobina difieren en dos aspectos. Por un lado la pO2 dada, Y es mayor para la mioglobina que para la hemoglobina (tiene más afinidad por el oxígeno la mioglobina que la hemoglobina). La segunda diferencia es que la curva de disociación del oxígeno de la mioglobina tiene una forma hiperbólica, mientras que la curva de la hemoglobina es sigmoidea. Estas diferentes curvas son las que le permiten a una ser el transportador por la sangre del oxígeno, mientras que la otra el almacen del oxígeno en el músculo.

Curva de disociaición del oxígeno en la hemoglobina. Los valores típicos para la pO2 en los capilares del músculo activo y en los alveolos pulmonares están representados en el eje de las x.

La explicación del diferente comportamiento de la mioglobina y la hemoglobina radica en su diferente estructura, mientras que la mioglobina es una proteína monomérica la hemoglobina es tetramérica. Son las interacciones entre las diferentes subunidades de la hemoglobina las que explican el efecto cooperativo, ya que sus subunidades por separado son muy similares a la mioglobina.

La desoxihemoglobina es una molécula más tensa (T) , más contraida que la oxihemoglobina, a causa de que presenta 8 enlaces salinos (enlaces por fuerzas electroestáticas), mientras que la oxihemoglobina no los presenta, está más relajada (R) .

Enlaces salinos cruzados entre las diferentes subunidades de la desoxihemoglobina . Estas interacciones son perturbadas por la oxigenación .

Uniones a-b:

Asp94--His146--Lys40 y Asp94--His146--Lys40

Uniones a-a:

Val1--Arg141 y Arg141--Val1

Asp126-Arg141 y Asp126-Arg141

Estos enlaces salinos están a cierta distancia del grupo hemo, aunque la unión del oxígeno los afecta. Se sabe que en la desoxihemoglobina, a igual que ocurría con la mioglobina, el átomo de hierro está 0,4 Å fuera del plano del hemo por el lado de la histidina proximal, de manera que el grupo hemo queda un poco curvado (convexo) en el mismo sentido.

En la oxigenación, el átomo de hierro se desplaza hacia el plano hemo. La histidina proximal (F8) es arrastra con el átomo de hierro y queda menos inclinada.

En la oxihemoglobina, el átomo de hierro se introduce en el plano de la porfirina de modo que puede formar un enlace fuerte con el O2, y el grupo hemo se vuelve más plano.Este movimiento del hierro provoca el cambio de la afinidad por el oxígeno en la hemoglobina. La respuesta está en que el hierro arrastra a la histidina proximal, que estira el resto de la cadena polipeptídica rompiendo algunos enlaces salinos.

Como cada molécula de hemoglobina tiene cuatro grupos hemos, puede unir 4 moléculas de O2. La primera unión de oxígeno implica que para arrastrar la histidina proximal tiene que luchar con ocho enlaces salinos. Una vez que se ha unido ya no quedan ocho sino menos porque se han roto varios de estos enlaces salinos, con lo que la segunda ya no lucha contra ocho sino tal vez con menos, con lo que la resistencia es menor (al tener que arrastar menos residuos aminoacídicos) siendo cada vez más fácil la unión del oxígeno al grupo hemo . La unión del oxígeno a la mioglobina es más fácil, ya que la unión del oxigéno al grupo hemo tan solo tiene que arrastar los aminoácidos de una única cadena (153 aminoácidos).