Kõik elusliigid puutuvad pidevalt kokku reaktiivsete ainetega, mis ründavad organismi väljastpoolt ja seestpoolt. Viimastel aastakümnetel on teadusuuringute keskmes keskendunud eelkõige vabadele radikaalidele, kuna nad on kaasatud paljude haiguste tekkimisse ja arengusse.
Vabad radikaalid on väga ebastabiilsed keemilised liigid, kuna nende struktuuris on üks või mitu omavahel ühendatud elektroni. Eriline elektrooniline jaotus põhjustab vabade radikaalide väga reaktiivsust ja püüab saavutada stabiilsema oleku, sidudes teiste molekulide või aatomitega, "varastades" nende vesiniku aatomeid või suheldes teiste radikaalsete liikidega.
Kui vabad radikaalid on moodustunud, reageerivad nad redoksreaktsioonide kaudu kiiresti teiste molekulidega, et saavutada stabiilne elektrooniline konfiguratsioon. Sellise reaktsiooni ajal toimub reaktsioonis osalevate ühendite vahel elektronide ülekanne, kus üks liik kaotab elektronid (oksüdatsiooniprotsess) teise ostja kasuks (redutseerimisprotsess): molekul see, mis kaotab elektronid, on redutseeriv aine, samas kui see, mis neid saab, on oksüdeerija.
Kui vaba radikaal reageerib mittradikaalsete liikidega, võib ta kaotada või võita elektrone või lihtsalt liituda molekuliga ise. Igal juhul muutuvad radikaalsed liigid uueks radikaaliks, mis käivitab ahelreaktsiooni, kus vaba radikaal tekitab teise vaba radikaali, kuni kaks radikaali kokku puutuvad ja peatavad reaktsioonide kaskaadi.
ROSid (reaktiivsed hapniku liigid) ja teisi reaktiivseid radikaale toodavad ise rakud normaalsete füsioloogiliste protsesside käigus või võivad eksogeenset päritolu. Keha sees vabanevad nad tavaliselt aeroobse hingamise metaboolsetest kõrvalsaadustest, mõnedest ensümaatilistest protsessidest ja immuunreaktsioonidest, samal ajal kui peamiste väliste tegurite hulgas, mis põhjustavad vabade radikaalide teket, on atmosfääri saastamine, ultraviolettkiirgus, keemilised ained ja stress .
Füsioloogilistes tingimustes on elusüsteemidel endogeenseid kaitsesüsteeme, mis kaitsevad struktuurseid ja funktsionaalseid biomolekule vabade radikaalide rünnakust. Need kaitsesüsteemid, mis võivad olla ensümaatilised (glutatiooni, superoksiidi dismutaasi, katalaasi) ja mitteensümaatilised (antioksüdantmolekulid ja dieediga võetud vitamiinid), reageerivad radikaalsete liikidega enne, kui nad võivad bioloogilisi struktuure rünnata, vähendades nende potentsiaali kahjulik.
Selle "antioksüdandi barjääri" puudumisel reageerivad vabad radikaalid kiiresti elutähtsate biomolekulidega, nagu DNA, lipiidid ja valgud, põhjustades tõsiseid rakukahjustusi ja isegi rakusurma.
Liigse kokkupuute tõttu kõrge reaktiivsusega oksüdeerivatele liikidele võib vabaneda vabade radikaalide ja antioksüdantide vahel; see käivitab oksüdatiivse stressi, mis põhjustab olulisi kahjustusi, mis kahjustavad rakkude ja kudede funktsionaalsust ning on seotud paljude krooniliste haigustega, nagu südame-vereringehäired (ateroskleroos, isheemia, insult), diabeet, vähk, haigused neurodegeneratiivne (nt Parkinsoni tõbi, Alzheimeri tõbi). Lisaks on oksüdatiivne stress üks rakkude vananemise peamisi põhjuseid. ROS tegelikult ründab lipiidide polünature ahelaid, mis põhjustavad nende oksüdatsiooni (lipiidide peroksüdatsioon). Lipiidahelate muutmine kujutab endast tõsist kahjustust rakumembraanidele, mis muutuvad läbilaskvamaks ja kaotavad oma efektiivsuse, mistõttu rakud ja koed enneaegselt vananevad.
Keemilisest vaatenurgast moodustavad vabad radikaalid laia ühendite perekonda, mida lihtsustamiseks saab jagada kahte põhikategooriasse: ROS (reaktiivsed hapniku liigid), mis on hapnikku sisaldavad reaktiivsed liigid ja mis sisaldavad ka mitte-radikaale molekule, nagu peroksiidid ja RNS (reaktiivsed lämmastiku liigid), mis sisaldavad radikaalset lämmastikku (NO lämmastikuradikaal ja peroksünitrit).
ROS moodustuvad füsioloogiliselt väikestes kogustes hingamisteede ainevahetuse sekundaartoodetena, kuid neid saab suurtes kogustes tekitada ka keskkonnategurite, näiteks UV-kiirguse ja reostuse tõttu, või immuunsüsteemi toimel pärast seda, kui on käivitunud põletikulised reaktsioonid. ROS hõlmab nii radikaale kui superoksiidi aniooni, hüdroksüülradikaali ja hüdroperoksüüli radikaale, mis on mittradikaalsed liigid, nagu vesinikperoksiid (H202) ja singlet hapnik. Hüdroksüülradikaal ja singletthape on vabade radikaalide kõige reaktiivsemad vormid, kuna nad oksüdeerivad kiiresti kõik bioloogilised molekulid, eriti küllastumata rasvad, valgud, nukleiinhapped, põhjustades rakkudele tõsist kahju.
