Quando o oxigênio reage quimicamente com outros átomos, a interação produz radicais livres, que são átomos contendo um elétron desemparelhado na camada externa. Os radicais livres instáveis reagem rapidamente com outros compostos, tentando roubar um elétron. Quando a molécula sob ataque perde seu elétron, ela se desenvolve em um radical livre, iniciando uma reação em cadeia. A principal ameaça dos radicais livres vem dos danos que eles infligem ao ácido desoxirribonucléico (DNA) celular ou às membranas celulares. Os danos dos radicais livres, que contribuem para o câncer, envelhecimento e uma série de doenças, podem ser potencialmente evitados com antioxidantes, que são substâncias químicas que facilmente doam elétrons para os radicais livres.
As mitocôndrias são pequenas organelas celulares que geram energia química útil para as células, movendo os elétrons entre as moléculas. O oxigênio ocupa a posição final na cadeia de transporte de elétrons, e uma interação defeituosa entre um elétron e o oxigênio gera a forma radical de oxigênio, o radical livre mais comum em sistemas vivos. O principal mecanismo de dano radical do oxigênio na célula é a mutação do DNA celular. Embora os mecanismos de reparo na célula possam consertar o DNA nuclear, o DNA mitocondrial (mtDNA) não pode ser restaurado prontamente. O dano acumulativo do mtDNA aumenta com o tempo, resultando em extensa disfunção mitocondrial, diminuição do suprimento de energia celular e morte celular final.
Mudanças nas moléculas de origem pela luz solar criam outros radicais livres. Na baixa atmosfera, os exemplos mais notáveis são a dissociação induzida pela luz do dióxido de nitrogênio, produzindo oxigênio e óxido nítrico, um ingrediente chave na poluição atmosférica, e a fotodissociação do ozônio para formar um átomo de oxigênio excitado. Uma fonte importante de radicais é a dissociação de clorofluorocarbonos por radiação ultravioleta ou reações com outros constituintes estratosféricos. Esses radicais livres destroem a camada de ozônio.
O dano dos radicais livres ao DNA leva a mutações que causam malignidade. Aterosclerose, danos ao fígado relacionados ao álcool e enfisema causado pelo tabagismo são todos atribuídos à oxidação induzida por radicais livres de muitas substâncias químicas do corpo. Os radicais livres podem causar esquizofrenia, doença de Alzheimer, doença de Parkinson e surdez. Outro exemplo de dano dos radicais livres é o dano à pele que ocorre com a exposição excessiva ao sol. A teoria do envelhecimento dos radicais livres propõe que os radicais livres desencadeiam o próprio processo de envelhecimento.
A oxidação é o processo de danos dos radicais livres causados pelo oxigênio radical. Os antioxidantes são moléculas que podem doar elétrons com segurança para os radicais livres, encerrando a reação em cadeia oxidativa antes que as moléculas críticas sejam danificadas. Embora vários sistemas enzimáticos no corpo eliminem os radicais livres, as principais vitaminas ou antioxidantes minerais incluem a vitamina A ou beta-caroteno, vitamina E, vitamina C e selênio, que é um metal residual. O corpo não produz esses nutrientes, portanto, eles devem ser obtidos como parte de uma dieta bem balanceada.