Oksijen diğer atomlarla kimyasal olarak reaksiyona girdiğinde, etkileşim dış kabukta eşleşmemiş bir elektron içeren atomlar olan serbest radikalleri üretir. Kararsız serbest radikaller, bir elektron çalmaya çalışan diğer bileşiklerle hızlı bir şekilde reaksiyona girer. Saldırı altındaki molekül elektronunu kaybettiğinde, bir zincir reaksiyonu başlatarak serbest bir radikal haline dönüşür. Serbest radikallerin temel tehdidi, hücresel deoksiribonükleik asit (DNA) veya hücre zarlarına verdikleri hasardan kaynaklanmaktadır. Kansere, yaşlanmaya ve birçok hastalığa katkıda bulunan serbest radikal hasarı, elektronları serbest radikallere kolayca bağışlayan kimyasallar olarak antioksidanlarla önlenebilir.
Mitokondri, moleküller arasında elektronları hareket ettirerek hücreler için faydalı kimyasal enerji üreten küçük hücresel organellerdir. Oksijen, elektron taşıma zincirindeki son pozisyonu işgal eder ve bir elektron ve oksijen arasındaki hatalı bir etkileşim yaşam sistemlerinde en yaygın serbest radikal olan radikal oksijen formunu oluşturur. Hücredeki radikal oksijen hasarının birincil mekanizması, hücresel DNA'nın mutasyonudur. Hücredeki tamir mekanizmaları nükleer DNA'yı düzeltebilirken, mitokondriyal DNA (mtDNA) kolayca geri yüklenemez. Birikmiş mtDNA hasarı zamanla artar, bu da geniş çapta mitokondriyal fonksiyon bozukluğu, hücre enerji kaynaklarını zayıflatır ve nihai hücre ölümü ile sonuçlanır.
Güneş enerjisiyle kaynak moleküllerinde yapılan değişiklikler diğer serbest radikalleri oluşturur. Düşük atmosferde, en dikkat çekici örnekler, azot dioksitin ışığa bağlı ayrışması, oksijen ve nitrik oksit, smogda anahtar bir bileşen oluşturan ve uyarılmış bir oksijen atomu oluşturmak için ozonun fotodizinlenmesidir. Önemli bir radikal kaynağı, kloroflorokarbonların ultraviyole radyasyonla ayrışması veya diğer stratosferik bileşenlerle reaksiyonlarıdır. Bu serbest radikaller ozon tabakasını tahrip eder.
DNA'ya serbest radikal hasarı maligniteye neden olan mutasyonlara neden olur. Ateroskleroz, alkole bağlı karaciğer hasarı ve sigara içmeden kaynaklanan amfizem, vücuttaki kimyasalların çoğunun serbest radikal kaynaklı oksidasyonuna bağlanır. Serbest radikaller şizofreni, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı ve sağırlığa neden olabilir. Serbest radikal hasarına bir başka örnek, aşırı güneş ışığına maruz kalan cilt hasarıdır. “Serbest radikal yaşlanma teorisi” serbest radikallerin yaşlanma sürecini tetiklemesini önerir.
Oksidasyon, radikal oksijenin neden olduğu serbest radikal hasar sürecidir. Antioksidanlar, kritik moleküller zarar görmeden önce oksidatif zincir reaksiyonunu sonlandıran elektronları serbest radikallere güvenle bağışlayan moleküllerdir. Vücuttaki birçok enzim sistemi serbest radikalleri uzaklaştırsa da, ana vitamin veya mineral antioksidanlar, A vitamini veya beta karoten, E vitamini, C vitamini ve bir iz metal olan selenyum içerir. Vücut bu besin maddelerini yapmaz, bu yüzden dengeli bir beslenmenin parçası olarak edinilmeleri gerekir.
