紅細胞通過血紅蛋白運送氧氣，紅細胞的90%由血紅蛋白組成。血紅蛋白是一種紅細胞相關的化合物肌紅蛋白，在肌肉細胞中存儲氧氣。血紅蛋白（Hb）由珠蛋白和亞鐵血紅素結合而成。血液呈現紅色就是因為其中含有亞鐵血紅素的緣故。它可以在肺部或腮部臨時與氧氣分子結合，該分子中的Fe2+在氧分壓高時，與氧結合形成氧合血紅蛋白（HbO2）；在氧分壓低時，又與氧解離，身體的組織中釋放出氧氣，成為還原血紅蛋白，由此實現運輸氧的功能。血紅蛋白也可以運送由機體產生的二氧化碳（不到氧氣總量的2%，更多的二氧化碳由血漿解決）。血紅蛋白中Fe2+如氧化成Fe3+，稱高鐵血紅蛋白，則喪失攜帶氧氣的能力。血紅蛋白與一氧化碳的親和力比氧的大210倍，在空氣中一氧化碳濃度增高時，血紅蛋白與一氧化碳結合，因而喪失運輸氧的能力，可危及生命，稱為一氧化碳中毒（即煤氣中毒）。
每個紅細胞含有兩億到二十億個血紅素分子，占了紅細胞重量的三分之一。每個血紅素分子由四個次體構成，每個次體包含一個血基質(heme）以及一個和血基質連接的多肽。血紅素內的多肽稱為球蛋白(globin），而每個血基質當中有一個鐵原子，此處可以和一個氧分子結合。因此，一個血紅素可以和四個氧分子結合。女性血紅素的平均濃度為14g/L，男性的血紅素平均濃度為16g/L。在體內，不是只有血紅素含有鐵原子，像細胞色素是另外一種含鐵原子的分子。
肺中的氧氣張力高，血紅素在微血管中與氧結合，形成充氧血紅素，充氧血紅素在氧氣張力較低的組織微血管中釋出氧氣。而二氧化碳是以碳酸、重碳酸離子以及鉀和鈉的重碳酸鹽的形式進行運輸。血紅素和氧結合時，血液就變得鮮紅，變成動脈血，和二氧化碳結合時，血液就變得暗紅，變成靜脈血。
血紅素既能和它們很快地結合，而且還能夠和它們分開。當紅細胞流經肺里的時候，它就跟氧結合在一起并把氧運送到人體全身的各個角落里，讓肌肉、骨骼、神經等細胞得到氧氣，能夠正常地工作。紅細胞把氧氣送出后就很快地和氧氣分離，立刻帶走了這些細胞排出的二氧化碳，運回肺部呼出體外。
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