- Phân tử hemoglobin có cấu trúc 4 bậc:

+ Cấu trúc bậc 1: là trình tự sắp xếp của các amino acid trong chuỗi polypeptide bằng liên kết peptide, dạng mạch thẳng.

+ Cấu trúc bậc 2: là dạng xoắn lò xò nhờ các liên kết hydrogen giữa các nguyên tử H và O của các liên kết peptide.

+ Cấu trúc bậc 3: là dạng cuộn lại trong không gian của toàn chuỗi polypeptide nhờ liên kết disulfile (S-S) giữa hai gốc cysteine ở xa nhau trong chuỗi và các liên kết yếu như tương tác kị nước, liên kết hydrogen, liên kết ion giữa các gốc R.

+ Cấu trúc bậc 4: là hai hay nhiều chuỗi polypeptide có cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng, tương tác với nhau tạo thành cấu trúc không gian ba chiều đặc trưng. 

- Bậc cấu trúc của phân tử protein đóng vai trò quyết định các bậc cấu trúc còn lại là cấu trúc bậc một. Cấu trúc bậc một của protein là trình tự các amino acid trên chuỗi polypeptide sẽ thể hiện tương tác giữa các phần trong chuỗi polypeptide, từ đó tạo nên hình dạng lập thể của protein và do đó quyết định tính chất cũng như vai trò của protein.