Kada kisik kemijski reagira s drugim atomima, interakcija proizvodi slobodne radikale, koji su atomi koji sadrže nespareni elektron u vanjskoj ljusci. Nestabilni slobodni radikali brzo reagiraju s drugim spojevima, pokušavajući ukrasti elektron. Kada napadnuta molekula izgubi svoj elektron, sama se razvija u slobodni radikal, započinjući lančanu reakciju. Glavna prijetnja slobodnih radikala dolazi od oštećenja koje oni nanose staničnoj deoksiribonukleinskoj kiselini (DNK) ili staničnim membranama. Šteta slobodnim radikalima, koja pridonosi raku, starenju i brojnim bolestima, potencijalno se može spriječiti antioksidansima, koji kao kemikalije lako doniraju elektrone slobodnim radikalima.
Mitohondriji su male stanične organele koje stvaraju korisnu kemijsku energiju za stanice pomicanjem elektrona između molekula. Kisik zauzima konačnu poziciju u lancu prijenosa elektrona, a pogrešna interakcija između elektrona i kisika stvara radikalni oblik kisika, najčešći slobodni radikal u živim sustavima. Primarni mehanizam radikalnog oštećenja kisika u stanici je mutacija stanične DNK. Dok mehanizmi popravka u stanici mogu popraviti nuklearnu DNK, mitohondrijska DNK (mtDNA) se ne može lako obnoviti. Akumulativna oštećenja mtDNA nagomilavaju se tijekom vremena, što rezultira opsežnom disfunkcijom mitohondrija, slabljenjem zaliha stanične energije i konačnom staničnom smrću.
Promjene izvornih molekula sunčevom svjetlošću stvaraju druge slobodne radikale. U nižim slojevima atmosfere, najznačajniji primjeri su svjetlošću izazvana disocijacija dušikovog dioksida, pri čemu se dobivaju kisik i dušikov oksid, ključni sastojak smoga, te fotodisocijacija ozona kako bi se formirao pobuđeni atom kisika. Važan izvor radikala je disocijacija klorofluorougljika bilo ultraljubičastim zračenjem ili reakcijama s drugim stratosferskim sastojcima. Ovi slobodni radikali uništavaju ozonski omotač.
Oštećenje DNK slobodnim radikalima dovodi do mutacija koje uzrokuju malignitet. Ateroskleroza, oštećenje jetre uzrokovano alkoholom i emfizem zbog pušenja cigareta pripisuju se oksidaciji mnogih tjelesnih kemikalija izazvanoj slobodnim radikalima. Slobodni radikali mogu uzrokovati shizofreniju, Alzheimerovu bolest, Parkinsonovu bolest i gluhoću. Još jedan primjer oštećenja slobodnih radikala je oštećenje kože koje nastaje prekomjernim izlaganjem suncu. “Teorija slobodnih radikala starenja” predlaže da slobodni radikali pokreću sam proces starenja.
Oksidacija je proces oštećenja slobodnih radikala uzrokovanih radikalnim kisikom. Antioksidansi su molekule koje mogu sigurno donirati elektrone slobodnim radikalima, prekidajući oksidacijsku lančanu reakciju prije nego što se kritične molekule oštete. Iako nekoliko enzimskih sustava u tijelu uklanja slobodne radikale, glavni antioksidansi vitamina ili minerala uključuju vitamin A ili beta-karoten, vitamin E, vitamin C i selen, koji je metal u tragovima. Tijelo ne proizvodi ove hranjive tvari pa ih se mora unositi u sklopu dobro uravnotežene prehrane.