När syre kemiskt reagerar med andra atomer producerar interaktionen fria radikaler, som är atomer som innehåller en oparad elektron i det yttre skalet. De instabila fria radikalerna reagerar snabbt med andra föreningar och försöker stjäla en elektron. När den attackerade molekylen förlorar sin elektron utvecklas den till en fri radikal i sig och startar en kedjereaktion. Det största hotet från fria radikaler kommer från den skada som de tillfogar cellulär deoxiribonukleinsyra (DNA) eller cellmembran. Skador på fria radikaler, som bidrar till cancer, åldrande och en rad sjukdomar, kan potentiellt förebyggas med antioxidanter, som är kemikalier som enkelt donerar elektroner till fria radikaler.
Mitokondrier är små cellulära organeller som genererar användbar kemisk energi för celler genom att flytta elektroner mellan molekyler. Syre intar den slutliga positionen i elektrontransportkedjan, och en felaktig interaktion mellan en elektron och syre genererar radikalformen av syre, den vanligaste fria radikalen i levande system. Den primära mekanismen för radikal syreskada i cellen är mutation av cellulärt DNA. Medan reparationsmekanismer i cellen kan laga nukleärt DNA, kan mitokondriella DNA (mtDNA) inte lätt återställas. Ackumulativ mtDNA-skada byggs upp med tiden, vilket resulterar i omfattande mitokondriell dysfunktion, avtagande cellenergitillförsel och slutlig celldöd.
Förändringar av källan molekyler av solljus skapar andra fria radikaler. I den lägre atmosfären är de mest anmärkningsvärda exemplen den ljusinducerade dissociationen av kvävedioxid, vilket ger syre och kväveoxid, en nyckelingrediens i smog, och fotodissocieringen av ozon för att bilda en exciterad syreatom. En viktig källa till radikaler är dissocieringen av klorfluorkolväten genom antingen ultraviolett strålning eller reaktioner med andra stratosfäriska beståndsdelar. Dessa fria radikaler förstör ozonskiktet.
Skador av fria radikaler på DNA leder till mutationer som orsakar malignitet. Åderförkalkning, alkoholrelaterad leverskada och emfysem från cigarettrökning hänförs alla till oxidation av fria radikaler av många av kroppens kemikalier. Fria radikaler kan orsaka schizofreni, Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och dövhet. Ett annat exempel på skador på fria radikaler är hudskadorna som uppstår vid överdriven solexponering. Den ”fria radikalteorin om åldrande” föreslår att fria radikaler utlöser själva åldrandeprocessen.
Oxidation är processen för skador på fria radikaler orsakade av radikalt syre. Antioxidanter är molekyler som säkert kan donera elektroner till fria radikaler, vilket avslutar den oxidativa kedjereaktionen innan kritiska molekyler skadas. Även om flera enzymsystem i kroppen avlägsnar fria radikaler, inkluderar de viktigaste vitamin- eller mineralantioxidanterna vitamin A eller betakaroten, vitamin E, vitamin C och selen, som är en spårmetall. Kroppen gör inte dessa näringsämnen så de måste fås som en del av en välbalanserad kost.