Darah teroksigenasi memiliki dua cara mengangkut oksigen ke jaringan tubuh: terlarut dalam plasma darah atau melekat pada hemoglobin dalam sel darah merah. Kombinasi hemoglobin-oksigen biasanya menyumbang sekitar 98.5 persen dari oksigen yang diangkut dari paru-paru ke seluruh tubuh. Saturasi hemoglobin mengacu pada sejauh mana hemoglobin dimuat dengan molekul oksigen.
Empat rantai polipeptida, masing-masing terikat pada gugus heme yang mengandung besi, membentuk hemoglobin pembawa oksigen. Atom besi dapat mengikat oksigen. Satu hemoglobin dapat mengikat hingga empat molekul oksigen. Kombinasi hemoglobin dan oksigen ini cepat dan reversibel — artinya, hemoglobin dapat membongkar molekul oksigen serta memuatnya.
Ketika keempat kelompok heme telah melekat pada molekul oksigen, hemoglobin sepenuhnya jenuh. Jika satu, dua, atau tiga gugus heme terikat pada oksigen, hemoglobin sebagian jenuh. Kombinasi hemoglobin-oksigen disebut oksihemoglobin, sedangkan hemoglobin yang telah melepaskan molekul oksigennya disebut sebagai hemoglobin tereduksi atau deoksihemoglobin.
Kekuatan pengikatan besi ke oksigen tergantung pada tingkat saturasi hemoglobin. Begitu molekul oksigen pertama menempel pada besi, hemoglobin itu sendiri berubah bentuk. Akibatnya, lebih mudah mengambil dua molekul oksigen berikutnya. Penyerapan molekul oksigen keempat bahkan lebih mudah. Demikian pula, ketika hemoglobin melepaskan setiap molekul oksigen, kekuatan ikatan antara besi dan molekul oksigen yang tersisa tumbuh semakin lemah.
Umumnya, saturasi hemoglobin bervariasi tergantung kebutuhan tubuh saat itu. Faktor-faktor termasuk suhu, pH darah, dan tekanan parsial oksigen dan karbon dioksida semua dapat mempengaruhi tingkat di mana hemoglobin mengikat atau melepaskan molekul oksigen. Faktor-faktor ini bekerja sama untuk mempertahankan pengiriman oksigen yang cukup ke jaringan tubuh.
Saturasi hemoglobin berubah karena tekanan parsial oksigen (PO2) dalam darah berubah. Hubungan antara tekanan parsial oksigen dan saturasi hemoglobin tidak linier; sebaliknya, ia mengikuti kurva berbentuk S. Hemoglobin hampir sepenuhnya jenuh ketika P02 berada pada 70 mm Hg.
Pada kondisi istirahat yang khas, P02 berada pada 100 mm Hg, dan saturasi hemoglobin darah arteri sekitar 98 persen. Saat darah mengalir dari arteri melalui kapiler sistematis, hemoglobin melepaskan sekitar 5 ml oksigen per 100 ml darah, sehingga menghasilkan saturasi hemoglobin sekitar 75% persen. P02 bisa turun hingga serendah 15 mm Hg selama aktivitas berat seperti olahraga. Sebagai tanggapan, hemoglobin akan menurunkan tambahan 50 persen oksigennya, sehingga menghasilkan saturasi serendah 25 persen.
Suhu, pH darah, dan tekanan parsial karbon dioksida mempengaruhi saturasi hemoglobin dengan mengubah struktur tiga dimensi hemoglobin, sehingga mengubah afinitasnya terhadap oksigen. Umumnya, peningkatan salah satu faktor ini akan menurunkan afinitas hemoglobin terhadap oksigen, sehingga memacu hemoglobin untuk melepaskan lebih banyak oksigen ke dalam darah. Sebaliknya, penurunan salah satu faktor tersebut biasanya akan memperkuat ikatan antara hemoglobin dan oksigen, sehingga menurunkan laju pelepasan oksigen. Karena panas, penurunan pH darah, dan peningkatan kadar karbon dioksida adalah produk sampingan dari jaringan aktif yang bekerja keras di dalam tubuh, faktor-faktor ini memastikan bahwa oksigen diturunkan di tempat yang paling dibutuhkan.