Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) sind Moleküle, die das Element Sauerstoff enthalten und chemisch sehr aktiv sind. Diese Moleküle, die verschiedene Formen annehmen können, erreichen diese Reaktivität aufgrund einer gemeinsamen Eigenschaft: der Anwesenheit eines Elektrons, das nur eine Einfachbindung hat. Elektronen in diesem Zustand haben eine starke Tendenz zu versuchen, stärkere Bindungen zu bilden, was zu chemischen Reaktionen führt. Reaktive Sauerstoffspezies können so einfach wie Superoxidmoleküle (O2-) oder komplexere Moleküle wie Wasserstoffperoxid (H2O22) sein. Diese Moleküle, manchmal auch als Oxidationsmittel oder freie Radikale bezeichnet, befinden sich im menschlichen Körper und werden von zellulären Prozessen sowohl verwertet als auch gebildet.
Die Zellen des menschlichen Körpers verwenden Superoxidmoleküle bei der Umwandlung von Nahrung in Energie und anderen Stoffwechselfunktionen. Diese biochemischen Prozesse sind sehr komplex, aber viele von ihnen beginnen damit, dass Superoxidmoleküle in andere reaktive Sauerstoffspezies umgewandelt werden, die dann in weiteren Reaktionen verwendet werden. Der Körper hat natürliche Mittel, um mit diesen Molekülen umzugehen, da zahlreiche Enzyme dazu dienen, sie zu neutralisieren oder in eine weniger reaktive Form umzuwandeln. Ein Übermaß an reaktiven Sauerstoffmolekülen ist potenziell schädlich und trägt vermutlich zu vielen zerstörerischen Prozessen für menschliche Zellen, die DNA und schließlich die allgemeine Gesundheit bei. Viele Lebensmittel und andere Nahrungsergänzungsmittel werden als Antioxidantien vermarktet, bei denen es sich um Substanzen handelt, die überschüssige reaktive Sauerstoffmoleküle neutralisieren und so verhindern, dass sie den Körper schädigen.
Moleküle wie reaktive Sauerstoffspezies können auf verschiedene Weise in den Körper gelangen, werden jedoch hauptsächlich über die Atemluft aufgenommen. Zigarettenrauch und Industrieabgase enthalten große Mengen dieser Art von Molekülen, von denen bekannt ist, dass sie das menschliche Gewebe, insbesondere die Lunge, schädigen. Ozon (O3, ein natürlich vorkommendes Molekül, ist ebenfalls chemisch sehr reaktiv, obwohl es nur in geringen Mengen in der Erdatmosphäre vorhanden ist.
Reaktive Sauerstoffspezies können die menschliche DNA schädigen, indem sie mit Proteinen reagieren, die in DNA-Strängen enthalten sind. Dieser Schaden kann manchmal durch die natürlichen Abwehrkräfte des Körpers repariert werden, aber diese Abwehrkräfte sind unvollkommen, und wenn die Reparaturen fehlschlagen, kann der Schaden zu genetischen Mutationen führen. Oxidative DNA-Schäden können zu einer verringerten Enzymaktivität führen und wurden mit Krebs in Verbindung gebracht. Dieses Potenzial zur Schädigung von Körperzellen und -geweben aufgrund eines Überschusses einiger reaktiver Sauerstoffspezies in Kombination mit der Notwendigkeit einer bestimmten Anzahl einiger ROS-Moleküle erzeugt eine Art Paradox. Der Körper benötigt und nutzt einige dieser Moleküle für grundlegende Stoffwechselfunktionen, aber ein Überschuss kann schädlich sein.