存在血红素的中央，负责与氧分子结合。血红蛋白是每一条多肽链和一个血红素分子相连。血红素是含铁的原卟啉（）衍生物。原卟啉是环状化合物，由四个次甲基（methenyl bridge，—CH—）连接的吡咯环（pyrrole ring）所组成。铁与每个吡咯环上的氮原子形成键结之外，还有两个配位键，一个与蛋白质中组胺酸的氮原子键结，另一个与氧分子结合。血红蛋白与氧的亲合力受血中氧分压与pH值之影响，氧压高时亲合力大，故在肺部与氧结合；氧压小时亲合力小，故可在组织释出氧以供利用。
肌红蛋白.肌