हीमोग्लोबिन में अधिकतर प्रोटीन (ग्लोबिन श्रृंखलाएं) होता है और ये प्रोटीन अमाइनो एसिडों की श्रृंखलाओं से बने होते हैं. ये श्रृंखलाएं रैखिक रूप में होती हैं, जैसे किसी लिखे गए वाक्य में अक्षर होते हैं या माला में मोती लगे होते हैं. सभी प्रोटीनों में अमाइनों एसिडों की प्रोटीन श्रृंखला में अमाइनो एसिडों के प्रकारों में विभिन्नता उस प्रोटीन के रसायनिक गुणों और कार्य को निश्चित करती है. यही बात हीमोग्लोबिन पर भी लागू होती है, जिसमें अमाइनो एसिडों की श्रृंखला आक्सीजन के प्रति प्रोटीन के आकर्षण जैसे महत्वपूर्ण कार्यों को प्रभावित कर सकती है. 

हीमोग्लोबिनों में ग्लोबिन प्रोटीनों की अमाइनो एसिड श्रृंखलाएं विभिन्न जातियों में भिन्न होती है, हालांकि भिन्नताएं जातियों के बीच विकास की दूरी के साथ बढ़ती हैं. उदाहरण के लिये मानव और चिम्पान्ज़ियों में सबसे आम हीमोग्लोबिन श्रृंखलाएं समान होती हैं, जबकि यह समान श्रृंखला गुरिल्ला की सबसे आम अमाइनो एसिड श्रृंखला से अल्फा और बीटा ग्लोबिन प्रोटीन श्रृंखलाओं में केवल एक अमाइनो एसिड द्वारा भिन्न होती है. ये भिन्नताएं कम संबंध वाली जातियों में अधिक होती हैं. हीमोग्लोबिन के अलावा अन्य प्रोटीनों की तरह जातियों के बीच डीएनए श्रृंखलाओं में भिन्नताएं उनके द्वारा कोड की गई अमाइनो एसिड श्रृंखलाओं की भिन्नताओं से अधिक होती हैं, क्यौंकि विभिन्न डीएनए श्रृंखलाएं एक ही अमाइनो एसिड की ओर इंगित कर सकती हैं. 

किसी एक जाति में भी, हीमोग्लोबिन के विभिन्न प्रकार हमेशा मौजूद होते हैं, हालांकि हर जाति में कोई एक श्रृंखला सामान्यतः सबसे अधिक पाई जाती है. हीमोग्लोबिन प्रोटीन की जीनों की विकृतियों के कारण हीमोग्लोबिन के विभिन्नतायुक्त प्रकार उत्पन्न होते हैं. इनमें से अनेक विकृत प्रकारों के कारण कोई रोग नहीं होता है. लेकिन कुछ विकृत हीमोग्लोबिनों के कारण "हीमोग्लोबिनोपैथीज़" नामक आनुवंशिक रोगों के एक समूह की उत्पत्ति होती है. सिकल सैल रोग सबसे मशहूर हीमोग्लोबिनोपैथी है, जो मनुष्य का पहला रोग है, जिसकी प्रक्रिया आण्विक स्तर पर समझी गई है. एक (अधिकतर) अन्य रोगों के समूह, थैलेसीमिया में, ग्लोबिन जीन नियंत्रण की समस्याओं और विकृतियों के कारण सामान्य या कभी-कभी असामान्य हीमोग्लोबिनों का कम मात्रा में उत्पादन होता है. इन सभी रोगों में रक्ताल्पता होती है.

अन्य प्रोटीनों की तरह, हीमोग्लोबिन के अमाइनो एसिडों की श्रृंखलाएं अनुकूली हो सकती हैं. उदहारण के लिए, हाल के अध्ययनों में दर्शाया गया है कि पर्वतों में रहने वाले हरिण मूषक कैसे उनके भिन्न जीन प्रकारों की मदद से ऊंचाईयों पर पाई जाने वाली पतली वाय़ु में जीवित रहते हैं. नेब्रास्का-लिंकन विश्वविध्यालय के एक शोधकर्ता ने चार भिन्न जीनों में विकृतियां पाईं जिन्हें निचले इलाकों और पर्वतों में रहने वाले हरिण मूषकों के बीच पाई जाने वाली भिन्नताओं के लिये जिम्मेदार समझा जाता है. पहाड़ों और निचले इलाकों से पकड़े गए जंगली मूषकों की जांच करने पर पाया गया कि दोनों नस्लों की जीनें एक समान थीं, सिवाय उनके जो उनके हीमोग्लोबिन की आक्सीजन-वाहक क्षमता को नियंत्रित करती हैं. पहाड़ी मूषक की जीनीय भिन्नता उसे आक्सीजन का अधिक बेहतर प्रयोग करने की क्षमता प्रदान करती है, क्योंकि पर्वतों जैसे ऊंचे स्थानों पर वह कम मात्रा में उपलब्ध होती है. प्राचीन हाथियों के हीमोग्लोबिन की विकृतियों के कारण कम तापमान के इलाकों में भी आक्सीजन की आपूर्ति संभव होती थी, जिससे वे प्लीस्टोसीन के दौरान अधिक ऊंचाईयों पर आसानी से रह सकते थे.

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आक्सीहीमोग्लोबिन में लौह की आक्सीकरण स्थिति
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