Wenn Sauerstoff mit anderen Atomen chemisch reagiert, erzeugt die Wechselwirkung freie Radikale, die Atome sind, die ein ungepaartes Elektron in der äußeren Hülle enthalten. Die instabilen freien Radikale reagieren schnell mit anderen Verbindungen und versuchen, ein Elektron zu stehlen. Wenn das angegriffene Molekül sein Elektron verliert, entwickelt es sich selbst zu einem freien Radikal und startet eine Kettenreaktion. Die Hauptbedrohung durch freie Radikale besteht in der Schädigung der zellulären Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder der Zellmembranen. Schäden durch freie Radikale, die zu Krebs, Alterung und einer Reihe von Krankheiten beitragen, können möglicherweise mit Antioxidantien verhindert werden, die als Chemikalien leicht Elektronen an freie Radikale abgeben.
Mitochondrien sind kleine Zellorganellen, die nützliche chemische Energie für Zellen erzeugen, indem sie Elektronen zwischen Molekülen bewegen. Sauerstoff nimmt die letzte Position in der Elektronentransportkette ein, und eine fehlerhafte Wechselwirkung zwischen einem Elektron und Sauerstoff erzeugt die radikalische Form von Sauerstoff, das häufigste freie Radikal in lebenden Systemen. Der primäre Mechanismus der radikalen Sauerstoffschädigung in der Zelle ist die Mutation der zellulären DNA. Während Reparaturmechanismen in der Zelle nukleäre DNA reparieren können, kann die mitochondriale DNA (mtDNA) nicht ohne weiteres wiederhergestellt werden. Im Laufe der Zeit baut sich ein kumulativer mtDNA-Schaden auf, was zu einer ausgedehnten mitochondrialen Dysfunktion, einer abnehmenden Energieversorgung der Zellen und dem endgültigen Zelltod führt.
Veränderungen der Quellmoleküle durch Sonnenlicht erzeugen andere freie Radikale. In der unteren Atmosphäre sind die bemerkenswertesten Beispiele die lichtinduzierte Dissoziation von Stickstoffdioxid unter Bildung von Sauerstoff und Stickoxid, einem Hauptbestandteil von Smog, und die Photodissoziation von Ozon, um ein angeregtes Sauerstoffatom zu bilden. Eine wichtige Radikalquelle ist die Dissoziation von Fluorchlorkohlenwasserstoffen entweder durch ultraviolette Strahlung oder durch Reaktionen mit anderen stratosphärischen Bestandteilen. Diese freien Radikale zerstören die Ozonschicht.
Die Schädigung der DNA durch freie Radikale führt zu Mutationen, die Malignität verursachen. Arteriosklerose, alkoholbedingte Leberschäden und Emphyseme durch Zigarettenrauchen werden alle auf die durch freie Radikale induzierte Oxidation vieler Körperchemikalien zurückgeführt. Freie Radikale können Schizophrenie, Alzheimer, Parkinson und Taubheit verursachen. Ein weiteres Beispiel für Schäden durch freie Radikale sind Hautschäden, die bei übermäßiger Sonneneinstrahlung auftreten. Die „Freie-Radikal-Theorie des Alterns“ geht davon aus, dass freie Radikale den Alterungsprozess selbst auslösen.
Oxidation ist der Prozess der Schädigung durch freie Radikale, der durch radikalen Sauerstoff verursacht wird. Antioxidantien sind Moleküle, die sicher Elektronen an freie Radikale abgeben können, wodurch die oxidative Kettenreaktion beendet wird, bevor kritische Moleküle beschädigt werden. Obwohl mehrere Enzymsysteme im Körper freie Radikale abfangen, umfassen die wichtigsten Vitamin- oder Mineralstoff-Antioxidantien Vitamin A oder Beta-Carotin, Vitamin E, Vitamin C und Selen, das ein Spurenmetall ist. Der Körper stellt diese Nährstoffe nicht selbst her und muss daher im Rahmen einer ausgewogenen Ernährung aufgenommen werden.