当组织得不到充足的氧，或不能充分利用氧时，组织的代谢、机能、甚至形态结构都可能发生异常变化，这一病理过程称为缺氧。缺氧是许多疾病所共有的一个基本病理过程。例如休克、呼吸功能不全、心功能不全、贫血等，都可以引起缺氧。如果动脉血氧分压(pao2)低于同龄人的正常下限，则成为低氧血症。低氧血症可通过血红素蛋白来检查：
血色素蛋白是指含有卟啉环配体的一类蛋白质，如血红蛋白、细胞色素aa3、P450、含细胞色素b558的辅酶Ⅱ(NADPH)氧化酶等。感受调节方式有两种：
①构象改变
当O2结合于血红素分子中央的Fe2+，引起Fe2+转位到卟啉环平面上，反之相反。这种构象的变化可能影响血红素蛋白的功能。例如：CO与氧化型细胞色素氧化酶aa的Fe2+结合，使氧化型细胞色素氧化酶失去了传递电子的作用。
②信使分子
NADPH氧化酶可与细胞周围环境中O2结合，并把O2转变为O2-，再生成H2O2。H2O2经过Feton反应转变为羟自由基(OH-)进行氧信号的传导。正常时，细胞内H2O2浓度相对较高，抑制低氧敏感基因的表达。低氧时，细胞内H2O2和OH-生成减少，还原型谷光甘肽(GSH)氧化转变成氧化型谷光甘肽(GSSG)受到抑制，导致某些蛋白巯基还原型增加，从而使一些转录因子的构象发生改变，促进低氧敏感基因的转录表达。
