Відповідно до функціонального призначення гемоглобіну в фізіологічних умовах в організмі утворюються такі його похідні , як: оксигемоглобін , карбгемоглобін , і в невеликій кількості — карбоксигемоглобин та метгемоглобін .

Оксигемоглобін

Оксигемоглобін (Н bO 2) утворюється при збагаченні крові киснем в легенях, за рахунок приєднання кисню до гему гемоглобіну за допомогою координаційних зв'язків заліза без зміни валентності заліза.

Оксигемоглобін дуже лабільний з'єднання і, вступаючи з кров'ю до тканин, де тиск кисню значно нижче, ніж в легенях, він легко дисоціює на вільний гемоглобін і кисень.

карбгемоглобін

Кисень утилізується в процесі клітинного дихання, а гемоглобін вступає в з'єднання з вуглекислим газом, утворюючи карбгемоглобін (Н b З O ₂ ) . Це також безсила з'єднання, яке легко віддає вуглекислий газ при надходженні крові в легені. Зв'язок з вуглекислим газом ніяк не гем, а глобин за рахунок вільних аміногруп амінокислот.

Карбоксигемоглобин

Карбоксигемоглобин (Н b СО) — це з'єднання гемоглобіну з окисом вуглецю. Утворюється в результаті дисиміляції гемоглобіну і в нормі не перевищує 2% від загальної маси гемоглобіну.

Карбоксигемоглобин, на відміну від інших похідних гемоглобіну, є дуже міцним з'єднанням. СО утворює ковалентний зв'язок з гемоглобіном , блокуючи асоціацію з ним кисню . Спорідненість СО до гемоглобіну більш ніж в 200 разів вище спорідненості кисню .

При отруєнні чадним газом (СО), коли утворюються значні кількості карбоксигемоглобіну, гемоглобін втрачає здатність зв'язувати кисень.

Крім того, СО здатний потрапляти в клітини і пригнічувати дихальну ланцюг в мітохондріях. Все це призводить до тканинної гіпоксії, ацидозу, депресії центральної нервової системи, блокаді дихального центру і настає смерть від задухи.

Метгемоглобін

Метгемоглобін (Метн b ) -Образ при окисленні двовалентного заліза гема в тривалентне. При цьому наголошується і перехід забарвлення з червоною в коричнево-зелену. 

У нормі метгемоглобін утворюється за рахунок процесів аутоокисления і не перевищує 2% від загальної маси гемоглобіну, так як невелика кількість утвореного тривалентного заліза до двовалентного відновлює фермент метгемоглобін-редуктаза. Цей фермент дозволяє підтримувати рівень MetHb в крові на дуже низьких цифрах.

При патології кількість МетНb в крові зростає. 

Розвивається стан метгемоглобінемії, яке може бути наслідком генетичної патології — генетично зумовленим дефіцитом MetHb-редуктази, або носити набутий характер. Наприклад, при отруєнні оксидами азоту, ціанідами і ін. Утворені значні кількості метгемоглобіну можуть викликати смерть від нестачі кисню, так як метгемоглобін позбавлений здатності зв'язуватися з киснем.