自由基和活性氧是在正常新陈代谢过程中产生的，会导致细胞损伤，而酶促和非酶促抗氧化系统可以抵消这种损伤。氧化剂产生和抗氧化防御之间的平衡决定了细胞的氧化应激水平。
自由基和活性氧
自由基是具有一个或多个不成对电子的分子，使其具有高度反应性。超氧阴离子自由基是通过分子氧的单电子还原形成的，主要来自氧化磷酸化 过程中线粒体电子传递链的泄漏以及 NADPH 氧化酶。超氧化物可以使铁硫簇蛋白失活并释放游离铁，游离铁参与芬顿化学，产生更具破坏性的物质。
过氧化氢不是自由基，而是氧的双电子还原产物。它可以自由地跨膜扩散，并可以在亚铁存在的情况下通过芬顿化学产生羟基自由基。羟基自由基是活性氧中最具反应性的，几乎可以与任何生物分子以有限的扩散速率发生反应。
过氧亚硝酸盐是由超氧化物与一氧化氮反应形成的。它是一种有效的氧化剂和硝化剂，可以修饰蛋白质、脂质和 DNA。由中性粒细胞中的髓过氧化物酶产生的单线态氧和次氯酸是额外的非自由基氧化剂，有助于杀死病原体，但也会造成组织损伤。
ROS 的来源
线粒体电子传递链是ROS的主要内源来源。复合物 I 和复合物 III 泄漏电子，将氧还原成超氧化物。在正常情况下，大约 1% 至 2% 的消耗氧气会转化为超氧化物。当电子传递链受损或线粒体膜电位高时，这种情况会增加。
NADPH 氧化酶是专门产生 ROS 的酶，可产生用于信号传导和免疫防御的超氧化物。 NOX 家族酶在吞噬细胞、内皮细胞和其他组织中表达。其他来源包括过氧化物酶体氧化酶、细胞色素 P450 酶和黄嘌呤氧化酶，黄嘌呤氧化酶在嘌呤降解过程中产生超氧化物。
ROS 的外源来源包括紫外线和电离辐射，它们通过水辐射分解产生羟基自由基。空气污染物、香烟烟雾以及某些药物和毒素也会增加活性氧的产生。过渡金属如铁和铜催化自由基的形成。
氧化损伤
脂质过氧化是由羟基自由基从多不饱和脂肪酸中夺取氢原子引发的链式反应。产生的脂质自由基与氧反应形成脂质过氧自由基，从而扩展链。丙二醛和4-羟基壬烯醛是有毒副产物。脂质过氧化会损害细胞膜并产生反应性醛，从而修饰蛋白质和 DNA。
蛋白质氧化会修饰氨基酸侧链，特别是半胱氨酸、蛋氨酸和芳香族残基。二硫键的形成、蛋白质的羰基化和酪氨酸残基的硝化会改变蛋白质的功能，并可能导致蛋白质降解。
DNA 氧化产生 8-氧代鸟嘌呤，这是最常见的损伤，如果不修复，会导致 G 到 T 的颠换突变。 ROS 造成的 DNA 损伤会导致突变、衰老和癌症。
酶促抗氧化防御
超氧化物歧化酶需要金属辅因子，催化超氧化物歧化为过氧化氢和氧气。存在三种亚型：胞质 CuZn-SOD、线粒体 Mn-SOD 和细胞外 SOD。 SOD 对于有氧生命至关重要，Mn-SOD 敲除小鼠在出生后不久就会死亡。
过氧化氢酶将过氧化氢转化为水和分子氧。它集中在过氧化物酶体中，是所有酶中周转率最高的酶之一。谷胱甘肽过氧化物酶使用还原型谷胱甘肽作为电子供体来还原过氧化氢和有机氢过氧化物。它的活性位点含有硒代半胱氨酸。硫氧还蛋白还原酶和过氧化氧还蛋白提供额外的过氧化物还原能力。
非酶抗氧化剂
谷胱甘肽是最丰富的细胞内硫醇，也是主要的非酶抗氧化剂。它将蛋白质硫醇维持在还原状态，并作为谷胱甘肽过氧化物酶的电子供体。还原型谷胱甘肽由谷胱甘肽还原酶利用 NADPH 再生。
维生素 E 是膜中主要的脂溶性断链抗氧化剂。它向脂质过氧自由基提供一个氢原子，终止脂质过氧化。产生的生育酚自由基被维生素 C 回收。维生素 C 是一种水溶性抗氧化剂，可直接清除 ROS 并再生维生素 E。尿酸、胆红素和泛醇是额外的内源性抗氧化剂。
疾病中的氧化应激
氧化应激会导致许多疾病。在动脉粥样硬化中，低密度脂蛋白氧化促进泡沫细胞形成和斑块形成。在神经退行性疾病中，氧化损伤会在阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病中累积。在癌症中，ROS 促进突变和肿瘤进展，但也可以诱导细胞死亡。在糖尿病中，高血糖通过多种机制驱动活性氧产生，导致血管并发症。缺血再灌注损伤的特点是再氧合时活性氧激增，除了缺血性损伤之外还会造成额外的组织损伤。
