Lorsque l’oxygène réagit chimiquement avec d’autres atomes, l’interaction produit des radicaux libres, qui sont des atomes contenant un électron non apparié dans la couche externe. Les radicaux libres instables réagissent rapidement avec d’autres composés, essayant de voler un électron. Lorsque la molécule attaquée perd son électron, elle se développe elle-même en un radical libre, déclenchant une réaction en chaîne. La principale menace des radicaux libres provient des dommages qu’ils infligent à l’acide désoxyribonucléique (ADN) cellulaire ou aux membranes cellulaires. Les dommages causés par les radicaux libres, qui contribuent au cancer, au vieillissement et à un certain nombre de maladies, peuvent potentiellement être évités grâce aux antioxydants, qui, en tant que produits chimiques, donnent facilement des électrons aux radicaux libres.
Les mitochondries sont de petits organites cellulaires qui génèrent une énergie chimique utile pour les cellules en déplaçant des électrons entre les molécules. L’oxygène occupe la position finale dans la chaîne de transport d’électrons, et une interaction défectueuse entre un électron et l’oxygène génère la forme radicalaire de l’oxygène, le radical libre le plus courant dans les systèmes vivants. Le mécanisme principal des dommages causés par l’oxygène radical dans la cellule est la mutation de l’ADN cellulaire. Alors que les mécanismes de réparation dans la cellule peuvent réparer l’ADN nucléaire, l’ADN mitochondrial (ADNmt) ne peut pas être facilement restauré. Les dommages accumulés à l’ADNmt s’accumulent au fil du temps, entraînant un dysfonctionnement mitochondrial étendu, une diminution de l’approvisionnement en énergie cellulaire et une mort cellulaire ultime.
Les modifications apportées aux molécules sources par la lumière du soleil créent d’autres radicaux libres. Dans la basse atmosphère, les exemples les plus notables sont la dissociation induite par la lumière du dioxyde d’azote, produisant de l’oxygène et de l’oxyde nitrique, un ingrédient clé du smog, et la photodissociation de l’ozone pour former un atome d’oxygène excité. Une source importante de radicaux est la dissociation des chlorofluorocarbures soit par le rayonnement ultraviolet, soit par des réactions avec d’autres constituants stratosphériques. Ces radicaux libres détruisent la couche d’ozone.
Les dommages causés par les radicaux libres à l’ADN entraînent des mutations qui provoquent une malignité. L’athérosclérose, les lésions hépatiques liées à l’alcool et l’emphysème dû au tabagisme sont tous attribués à l’oxydation induite par les radicaux libres de nombreux produits chimiques corporels. Les radicaux libres peuvent causer la schizophrénie, la maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson et la surdité. Un autre exemple de dommages causés par les radicaux libres est les dommages cutanés qui surviennent lors d’une exposition excessive au soleil. La « théorie des radicaux libres du vieillissement » propose que les radicaux libres déclenchent le processus de vieillissement lui-même.
L’oxydation est le processus de dommages des radicaux libres causés par l’oxygène radicalaire. Les antioxydants sont des molécules qui peuvent en toute sécurité donner des électrons aux radicaux libres, mettant ainsi fin à la réaction oxydative en chaîne avant que les molécules critiques ne soient endommagées. Bien que plusieurs systèmes enzymatiques dans le corps éliminent les radicaux libres, les principaux antioxydants vitaminiques ou minéraux comprennent la vitamine A ou le bêta-carotène, la vitamine E, la vitamine C et le sélénium, qui est un métal trace. Le corps ne fabrique pas ces nutriments, ils doivent donc être obtenus dans le cadre d’une alimentation équilibrée.