Barwnik hem, stanowi 4% masy cząsteczki hemoglobiny. Z każdym z czterech łańcuchów peptydowych globiny wiąże się Jedna cząsteczka hemu. Cząsteczka hemu z kolei zbudowana jest z położonego centralnie dwuwartościowego atomu żelaza, połączonego z czterema wzajemnie powiązanymi pierścieniami
Każda cząsteczka hemu ma zdolność do nietrwałego, luźnego, przyłączenia jednej cząsteczki tlenu.
W ten sposób cząsteczka hemoglobiny zawierająca 4 hemy może przyłączyć naraz aż cztery cząsteczki tlenu. W celu podkreślenia luźnego związku tlenu z hemoglobiną proces takiego połączenia nazywa się