Sve žive vrste stalno su izložene reaktivnim sredstvima koja napadaju organizme izvana i iznutra. U posljednjih nekoliko desetljeća fokus istraživanja bio je usmjeren osobito na slobodne radikale zbog njihove uključenosti u nastanak i razvoj brojnih bolesti.
Slobodni radikali su vrlo nestabilne kemijske vrste zbog prisutnosti u svojoj strukturi jednog ili više nesparenih elektrona. Neobična elektronska distribucija uzrokuje da slobodni radikali budu vrlo reaktivni i pokušavaju doći do stabilnijeg stanja spajanjem s drugim molekulama ili atomima, "kradući" njihove vodikove atome ili u interakciji s drugim radikalnim vrstama.
Nakon što se formiraju, slobodni radikali brzo reagiraju s drugim molekulama putem redoks reakcija kako bi se postigla stabilna elektronička konfiguracija. Tijekom ove vrste reakcija dolazi do prijenosa elektrona između spojeva koji sudjeluju u reakciji, pri čemu jedna vrsta gubi elektrone (proces oksidacije) u korist drugog koji ih kupuje (proces redukcije): molekula koji gubi elektrone je redukcijski agens, dok je onaj koji ih dobiva oksidans.
Kada slobodni radikali reagiraju s ne-radikalnom vrstom, može izgubiti ili dobiti elektrone ili se jednostavno pridružiti samoj molekuli. U svakom slučaju, ne-radikalna vrsta se pretvara u novi radikal koji aktivira lančanu reakciju, u kojoj slobodni radikal generira još jedan slobodni radikal, dok se dva radikala ne sretnu i ne zaustave kaskadu reakcija.
ROS (reaktivne vrste kisika) i druge reaktivne radikalne vrste proizvode same stanice tijekom normalnih fizioloških procesa ili mogu imati egzogeni izvor. Unutar tijela normalno se oslobađaju kao metabolički nus-proizvodi aerobnog disanja, neki enzimatski procesi i imunološke reakcije, dok su među glavnim vanjskim čimbenicima koji dovode do stvaranja slobodnih radikala atmosfersko onečišćenje, ultraljubičasto zračenje, kemijska sredstva i stres.,
U fiziološkim uvjetima živi sustavi posjeduju endogene obrambene sustave koji štite strukturne i funkcionalne biomolekule od napada slobodnih radikala. Ovi obrambeni sustavi, koji mogu biti enzimski (glutation, superoksid dismutaza, katalaza) i neenzimski (antioksidativne molekule i vitamini uzimani s prehranom), reagiraju s radikalnim vrstama prije nego što mogu napasti biološke strukture, prigušujući njihov potencijal štetno.
U nedostatku ove "antioksidacijske barijere", slobodni radikali brzo reagiraju s životno kritičnim biomolekulama, kao što su DNA, lipidi i proteini, uzrokujući ozbiljno oštećenje stanica, pa čak i staničnu smrt.
Zbog prekomjerne izloženosti visoko reaktivnim oksidirajućim vrstama, ravnoteža između slobodnih radikala i antioksidanata može se izgubiti; to izaziva situaciju oksidativnog stresa, koja je odgovorna za značajna oštećenja koja ugrožavaju funkcionalnost stanica i tkiva i povezana je s brojnim kroničnim bolestima, kao što su kardio-cirkulacijski poremećaji (ateroskleroza, ishemija, moždani udar), dijabetes, rak, bolesti neurodegenerativne (npr. Parkinsonova bolest, Alzheimerova bolest). Nadalje, oksidativni stres je jedan od glavnih uzroka starenja stanica. ROS zapravo napadaju lipidne polinatne lance koji uzrokuju njihovu oksidaciju (lipidnu peroksidaciju). Promjena lipidnih lanaca predstavlja ozbiljno oštećenje staničnih membrana, koje postaju propusnije i gube svoju učinkovitost, što rezultira preranim starenjem stanica i tkiva.
S kemijskog stajališta, slobodni radikali čine široku obitelj spojeva koji se, da bi se pojednostavili, mogu podijeliti u dvije glavne kategorije: ROS (reaktivne vrste kisika), koje su reaktivne vrste koje sadrže kisik i koje također uključuju ne-radikalne molekule kao što su peroksidi, i RNS (reaktivne dušične vrste) koji uključuju radikalne vrste dušika (NO nitrični radikal i peroksinitrit).
ROS se fiziološki formiraju u malim količinama kao sekundarni produkti metabolizma dišnog sustava, ali se mogu generirati u velikim količinama i zbog ekoloških čimbenika, kao što su UV zračenje i zagađenje, ili djelovanjem imunološkog sustava nakon pokretanja upalne reakcije. ROS uključuje i radikalne vrste, kao što su superoksidni anion, hidroksilne radikale i hidroperoksilne radikale, koji su ne-radikalne vrste, kao što su vodikov peroksid (H202) i singletni kisik. Hidroksilni radikal i singletni kisik su najreaktivniji oblici slobodnih radikala, jer brzo oksidiraju sve biološke molekule, osobito nezasićene masti, proteine, nukleinske kiseline, uzrokujući ozbiljna oštećenja stanica.
