Engelhard descubrió que la relación del hierro con la proteína era idéntica en las hemoglobinas de varias especies.

[6]​ La proteína hemoglobina que transporta el dioxígeno fue descubierta en 1840 por el médico y químico alemán Friedrich Ludwig Hünefeld (1799-1882).

[9]​ La oxigenación reversible de la hemoglobina fue descrita unos años más tarde por Felix Hoppe-Seyler.

El papel de la hemoglobina en la sangre fue dilucidado por el fisiólogo francés Claude Bernard.

El grupo hemo está formado por: La hemoglobina es una proteína tetrámera, que consta de cuatro cadenas polipeptídicas con estructura primaria (secuencia) diferente.

Cada cadena polipeptídica de la hemoglobina está unida a un grupo hemo para formar una subunidad.

Y sus subunidades se unen entre ellas por puentes de sal, que estabilizan su estructura.

En este modelo, cada tetrámero puede existir exclusivamente en dos estados (T o R).

En cambio el modelo secuencial explica que la unión de un dioxígeno a la hemoglobina favorece la unión de más dioxígenos, pero no significa un cambio total del estado T al estado R. Cuando la hemoglobina tiene unido dioxígeno se denomina oxihemoglobina o hemoglobina oxigenada, dando el aspecto rojo o escarlata intenso característico de la sangre arterial.

En las células rojas es crucial la presencia del 2,3-bisfosfoglicerato, ya que este determina la afinidad de la hemoglobina con el dioxígeno.

El 2,3-BPG se enlaza al centro del tetrámero, en un ‘bolsillo’ que solo está presente en el estado T. En la transición de T a R, este ‘bolsillo’ colapsa y se libera el 2,3-BPG.

Para que esto suceda los enlaces entre la hemoglobina y el 2,3-BPG se deben romper, y a su vez cuando este compuesto está presente se necesitan mayores enlaces de dioxígeno con la hemoglobina, para que ésta cambie su forma de T a R. Por lo tanto la hemoglobina se mantiene en su estado T de baja afinidad hasta que alcance un medio con altas concentraciones de dioxígeno.

Debido a esto se le llama al compuesto 2,3-BPG efector alostérico.

La regulación por parte de una molécula estructuralmente diferente al O2 es posible gracias al enlace del efector alostérico en un sitio completamente distinto a los sitios de enlace del dioxígeno en la hemoglobina.

Para liberar dioxígeno donde es más necesario, la hemoglobina ha evolucionado para responder a las concentraciones de estas dos sustancias.

Por lo tanto, cuando la hemoglobina se mueve hacia la región con menor pH, tiende a liberar más dioxígeno.

En el metabolismo aeróbico en los tejidos, el CO2 liberado y la pCO2 aumentan con un incremento simultáneo de iones H+.

La condición inversa prevalece en los pulmones, donde pCO2 es baja y el pH es alto, por lo tanto, la afinidad de la hemoglobina para unirse con O2 aumenta.

También tiene una función como tampón químico, ya que se enlaza a dos protones por cada cuatro moléculas de dioxígeno liberadas, por lo tanto contribuye al mantenimiento de un pH constante en la sangre.