Cuando el oxígeno reacciona químicamente con otros átomos, la interacción produce radicales libres, que son átomos que contienen un electrón desapareado en la capa exterior. Los radicales libres inestables reaccionan rápidamente con otros compuestos, tratando de robar un electrón. Cuando la molécula atacada pierde su electrón, se convierte en un radical libre, iniciando una reacción en cadena. La principal amenaza de los radicales libres proviene del daño que infligen al ácido desoxirribonucleico (ADN) celular o las membranas celulares. El daño de los radicales libres, que contribuye al cáncer, el envejecimiento y una serie de enfermedades, se puede prevenir potencialmente con antioxidantes, que son sustancias químicas que donan fácilmente electrones a los radicales libres.
Las mitocondrias son pequeños orgánulos celulares que generan energía química útil para las células al mover electrones entre moléculas. El oxígeno ocupa la posición final en la cadena de transporte de electrones, y una interacción defectuosa entre un electrón y el oxígeno genera la forma radical de oxígeno, el radical libre más común en los sistemas vivos. El mecanismo principal del daño por radicales de oxígeno en la célula es la mutación del ADN celular. Si bien los mecanismos de reparación en la célula pueden reparar el ADN nuclear, el ADN mitocondrial (ADNmt) no se puede restaurar fácilmente. El daño acumulado del mtDNA se acumula con el tiempo, lo que resulta en una disfunción mitocondrial extensa, suministros de energía celular menguantes y la muerte celular final.
Los cambios en las moléculas de origen por la luz solar crean otros radicales libres. En la atmósfera inferior, los ejemplos más notables son la disociación inducida por la luz del dióxido de nitrógeno, que produce oxígeno y óxido nítrico, un ingrediente clave en el smog, y la fotodisociación del ozono para formar un átomo de oxígeno excitado. Una fuente importante de radicales es la disociación de clorofluorocarbonos por radiación ultravioleta o reacciones con otros constituyentes estratosféricos. Estos radicales libres destruyen la capa de ozono.
El daño de los radicales libres al ADN conduce a mutaciones que causan malignidad. La aterosclerosis, el daño hepático relacionado con el alcohol y el enfisema por fumar cigarrillos se atribuyen a la oxidación inducida por los radicales libres de muchas de las sustancias químicas del cuerpo. Los radicales libres pueden causar esquizofrenia, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson y sordera. Otro ejemplo de daño de los radicales libres es el daño de la piel que ocurre con la exposición excesiva al sol. La «teoría del envejecimiento de los radicales libres» propone que los radicales libres desencadenan el proceso de envejecimiento en sí.
La oxidación es el proceso de daño de los radicales libres causado por los radicales de oxígeno. Los antioxidantes son moléculas que pueden donar electrones a los radicales libres de forma segura, poniendo fin a la reacción en cadena oxidativa antes de que se dañen las moléculas críticas. Aunque varios sistemas de enzimas en el cuerpo eliminan los radicales libres, las principales vitaminas o minerales antioxidantes incluyen vitamina A o betacaroteno, vitamina E, vitamina C y selenio, que es un metal traza. El cuerpo no produce estos nutrientes, por lo que deben obtenerse como parte de una dieta bien equilibrada.