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ミオグロビンは、筋肉中にあって酸素分子を代謝に必要な時まで貯蔵する色素タンパク質。クジラ、アザラシ、イルカなど水中に潜る哺乳類は大量の酸素を貯蔵しなければならないので、これらの筋肉には特に豊富に含まれている。カラスにも豊富とされる（「カラスの肉」を参照）。また一般に動物の筋肉が赤いのはこのタンパク質に由来する。
酸素に対する親和性がヘモグロビンより高いので、血中のヘモグロビンから酸素を受け取り貯蔵することができる。ミオグロビンの構造と機能はヘモグロビンと類似性が高いが、ヘモグロビンが四量体であるのに対してミオグロビンは単量体である点が大きく異なっている。
X線回折で三次構造が解かれた最初のタンパク質として有名である。1958年にジョン・ケンドリューらはマッコウクジラのミオグロビン結晶を使って2Åの分解能でその全構造を明らかにした。
153個のアミノ酸残基から成り、1個のヘムをもち、分子量は約1万7800である。タンパク質は8個のαヘリックスをもち、それらがヘムをとり囲んでいる。酸素分子はヘム鉄に結合する。