自由基和活性氧在正常代谢过程中产生，可造成细胞损伤，由酶促和非酶促抗氧化系统对抗。氧化剂产生与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未成对电子的分子，因此高度反应性。超氧阴离子自由基由分子氧的单电子还原形成，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。超氧化物可使铁硫簇蛋白失活并释放游离铁，参与芬顿化学以产生更具破坏性的物种。

过氧化氢不是自由基，而是氧的双电子还原产物。它自由扩散穿过膜，并可在亚铁存在下通过芬顿反应生成羟基自由基。羟基自由基是ROS中反应性最强的，以扩散限制速率与几乎所有生物分子反应。

过氧亚硝酸盐由超氧化物与一氧化氮反应形成。它是一种强氧化剂和硝化剂，修饰蛋白质、脂质和DNA。单线态氧和次氯酸（由中性粒细胞中的髓过氧化物酶产生）是额外的非自由基氧化剂，有助于杀灭病原体但也引起组织损伤。

ROS的来源

线粒体电子传递链是ROS的主要内源性来源。复合体I和复合体III泄漏将氧还原为超氧化物的电子。在正常条件下，约1%至2%的消耗氧被转化为超氧化物。当电子传递链受损或线粒体膜电位高时，这一比例增加。

NADPH氧化酶是专门产生ROS的酶，为信号传导和免疫防御产生超氧化物。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（在嘌呤降解过程中产生超氧化物）。

ROS的外源性来源包括紫外线和电离辐射，通过水的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增加ROS产生。过渡金属如铁和铜催化自由基形成。

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，传播链式反应。丙二醛和4-羟基壬烯醛是有毒副产物。脂质过氧化损害细胞膜并产生修饰蛋白质和DNA的反应性醛类。

蛋白质氧化修饰氨基酸侧链，特别是半胱氨酸、甲硫氨酸和芳香族残基。二硫键形成、蛋白质羰基化和酪氨酸残基硝化改变蛋白质功能，并可靶向蛋白质进行降解。

DNA氧化产生8-氧代鸟嘌呤作为最常见的损伤，如果不修复可导致G到T颠换突变。ROS对DNA的损伤导致突变、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。存在三种亚型：胞质CuZn-SOD、线粒体Mn-SOD和细胞外SOD。SOD对需氧生命至关重要，Mn-SOD敲除小鼠在出生后不久死亡。

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，具有所有酶中最高的转换率之一。谷胱甘肽过氧化物酶使用还原型谷胱甘肽作为电子供体还原过氧化氢和有机氢过氧化物。其活性位点含有硒代半胱氨酸。硫氧还蛋白还原酶和过氧化还蛋白提供额外的过氧化物还原能力。

非酶促抗氧化剂

谷胱甘肽是最丰富的细胞内硫醇和主要的非酶促抗氧化剂。它维持蛋白质硫醇处于还原状态，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使用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氢原子，终止脂质过氧化。产生的生育酚氧自由基由维生素C再生。维生素C是一种水溶性抗氧化剂，直接清除ROS并再生维生素E。尿酸、胆红素和泛醌是额外的内源性抗氧化剂。

疾病中的氧化应激

氧化应激导致许多疾病。在动脉粥样硬化中，LDL氧化促进泡沫细胞形成和斑块发展。在神经退行性疾病中，氧化损伤在阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病中积累。在癌症中，ROS促进突变和肿瘤进展，但也可诱导细胞死亡。在糖尿病中，高血糖通过多种机制驱动ROS产生，导致血管并发症。缺血再灌注损伤在再氧合时出现ROS爆发，引起超过缺血损伤的额外组织损伤。