Всички живи видове постоянно се излагат на реактивни агенти, които атакуват организми отвън и отвътре. През последните няколко десетилетия фокусът на научните изследвания беше съсредоточен по-специално върху свободните радикали поради участието им в началото и развитието на множество заболявания.
Свободните радикали са силно нестабилни химически видове поради наличието в тяхната структура на един или повече неспарени електрони. Своеобразното електронно разпределение причинява свободни радикали да бъдат много реактивни и се опитват да достигнат по-стабилно състояние чрез свързване с други молекули или атоми, "кражба" на техните водородни атоми или взаимодействие с други радикални видове.
Веднъж образувани, свободните радикали реагират бързо с други молекули чрез окислително-редукционни реакции (редокс), за да се постигне стабилна електронна конфигурация. По време на този вид реакция има пренос на електрони между съединенията, участващи в реакцията, при които видът губи електрони (окислителен процес) в полза на друг, който ги придобива (процес на редукция): молекулата който губи електрони е редуциращият агент, докато този, който ги получава, е окислителят.
Когато свободният радикал реагира с нерадикален вид, той може да загуби или да спечели електрони или просто да се присъедини към самата молекула. Във всеки случай, нерадикалният вид се трансформира в нов радикал, който предизвиква верижна реакция, при която свободният радикал генерира друг свободен радикал, докато се срещнат два радикали, спирайки каскадата от реакции.
ROS (реактивни видове кислород) и други реактивни радикални видове се произвеждат от самите клетки по време на нормални физиологични процеси или могат да имат екзогенен произход. Вътре в тялото обикновено се отделят като метаболитни странични продукти на аеробното дишане, някои ензимни процеси и имунни реакции, докато основните външни фактори, които водят до образуването на свободни радикали са атмосферното замърсяване, ултравиолетовата радиация, химикалите и стреса.,
При физиологични условия живите системи притежават ендогенни защитни системи, които защитават структурните и функционалните биомолекули от атаката на свободните радикали. Тези защитни системи, които могат да бъдат ензимни (глутатион, супероксиддисмутаза, каталаза) и не-ензимни (антиоксидантни молекули и витамини, приемани с диета), реагират с радикалните видове, преди да могат да атакуват биологичните структури, като намаляват потенциала им вредно.
При липсата на тази "антиоксидантна бариера" свободните радикали реагират бързо с животозастрашаващи биомолекули, като ДНК, липиди и протеини, причинявайки сериозно клетъчно увреждане и дори клетъчна смърт.
Поради прекомерното излагане на силно реактивни оксидиращи видове, балансът между свободните радикали и антиоксидантите може да бъде по-малък; това предизвиква ситуация на оксидативен стрес, който е отговорен за големи увреждания, които компрометират функционалността на клетките и тъканите и е свързан с многобройни хронични заболявания, като сърдечно-циркулаторни нарушения (атеросклероза, исхемия, инсулт), диабет, рак, заболявания невродегенеративни (напр. болест на Паркинсон, Алцхаймер). Освен това окислителният стрес е една от основните причини за клетъчното стареене. ROS в действителност атакуват полизидите на липидите, причинявайки тяхното окисление (липидна пероксидация). Промяната на липидните вериги представлява сериозно увреждане на клетъчните мембрани, които стават по-пропускливи и губят своята ефективност, с последващото преждевременно стареене на клетките и тъканите.
От химическа гледна точка свободните радикали представляват голямо семейство съединения, които, за да се опростят, могат да бъдат разделени в две основни категории: ROS (реактивни видове кислород), които са реактивни видове, съдържащи кислород и които също включват нерадикални молекули, като например пероксиди и RNS (реактивни азотни видове), които включват радикалните видове азот (азотен оксид радикал NO и пероксинитрит).
ROS се образуват физиологично в малки количества като вторични продукти на респираторния метаболизъм, но могат да се генерират в големи количества и поради фактори на околната среда, като UV радиация и замърсяване, или поради действието на имунната система след задействането на възпалителни реакции. ROSs включват както радикални видове като супероксиден анион, хидроксилни радикали и хидропероксилни радикали, така и нерадикални видове като водороден пероксид (Н202) и синглетен кислород. Хидроксилният радикал и синглетният кислород са най-реактивните форми сред свободните радикали, тъй като бързо окисляват всички биологични молекули, по-специално ненаситени мазнини, протеини, нуклеинови киселини, причинявайки сериозни увреждания на клетките.
