Natleniona krew ma dwa sposoby transportu tlenu do tkanek ciała: rozpuszczony w osoczu krwi lub przyłączony do hemoglobiny w czerwonych krwinkach. Kombinacje hemoglobiny i tlenu zazwyczaj stanowią około 98.5% tlenu transportowanego z płuc w całym ciele. Nasycenie hemoglobiny odnosi się do stopnia obciążenia hemoglobiny cząsteczkami tlenu.
Cztery łańcuchy polipeptydowe, każdy związany z grupą hemową zawierającą żelazo, tworzą hemoglobinę przenoszącą tlen. Atomy żelaza mogą wiązać się z tlenem. Jedna hemoglobina może wiązać się z maksymalnie czterema cząsteczkami tlenu. Ta kombinacja hemoglobiny i tlenu jest szybka i odwracalna — co oznacza, że hemoglobina może rozładować cząsteczki tlenu, a także je ładować.
Kiedy wszystkie cztery grupy hemu przyłączą się do cząsteczki tlenu, hemoglobina jest w pełni nasycona. Jeśli jedna, dwie lub trzy grupy hemowe są związane z tlenem, hemoglobina jest częściowo nasycona. Połączenie hemoglobiny z tlenem nazywa się oksyhemoglobiną, podczas gdy hemoglobina, która uwolniła swoje cząsteczki tlenu, jest określana jako hemoglobina zredukowana lub dezoksyhemoglobina.
Siła wiązania żelaza z tlenem zależy od poziomu nasycenia hemoglobiny. Gdy pierwsza cząsteczka tlenu przyłączy się do żelaza, sama hemoglobina zmienia swój kształt. W rezultacie łatwiej wychwytuje kolejne dwie cząsteczki tlenu. Wychwyt czwartej cząsteczki tlenu jest jeszcze łatwiejszy. Podobnie, gdy hemoglobina uwalnia każdą cząsteczkę tlenu, siła wiązania między żelazem a pozostałymi cząsteczkami tlenu staje się coraz słabsza.
Ogólnie wysycenie hemoglobiny zmienia się w zależności od potrzeb organizmu w danym czasie. Czynniki, w tym temperatura, pH krwi i ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla, mogą mieć wpływ na szybkość, z jaką hemoglobina wiąże lub uwalnia cząsteczki tlenu. Czynniki te współpracują ze sobą w celu utrzymania wystarczającego dostarczania tlenu do tkanek organizmu.
Saturacja hemoglobiny zmienia się wraz ze zmianą ciśnienia parcjalnego tlenu (PO2) we krwi. Związek między ciśnieniem parcjalnym tlenu a nasyceniem hemoglobiny jest nieliniowy; zamiast tego jest zakrzywiony w kształcie litery S. Hemoglobina jest prawie całkowicie wysycona, gdy P02 wynosi 70 mm Hg.
W typowych warunkach spoczynkowych P02 wynosi 100 mm Hg, a wysycenie hemoglobiny krwi tętniczej wynosi około 98 procent. Gdy krew przepływa z tętnic przez naczynia włosowate, hemoglobina uwalnia około 5 ml tlenu na 100 ml krwi, powodując w ten sposób nasycenie hemoglobiny około 75% procent. P02 może spaść nawet do 15 mm Hg podczas energicznych czynności, takich jak ćwiczenia. W odpowiedzi hemoglobina uwolni dodatkowe 50 procent tlenu, powodując w ten sposób nasycenie tak niskie, jak 25 procent.
Temperatura, pH krwi i ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla wpływają na nasycenie hemoglobiny, zmieniając trójwymiarową strukturę hemoglobiny, zmieniając w ten sposób jej powinowactwo do tlenu. Ogólnie rzecz biorąc, wzrost któregokolwiek z tych czynników obniży powinowactwo hemoglobiny do tlenu, pobudzając w ten sposób hemoglobinę do uwalniania większej ilości tlenu do krwi. Odwrotnie, zmniejszenie jednego z tych czynników zwykle wzmacnia wiązanie między hemoglobiną a tlenem, zmniejszając w ten sposób tempo uwalniania tlenu. Ponieważ ciepło, spadające pH krwi i rosnący poziom dwutlenku węgla są produktami ubocznymi ciężko pracujących tkanek aktywnych w organizmie, czynniki te zapewniają, że tlen jest uwalniany tam, gdzie jest najbardziej potrzebny.