Tất cả các loài sống liên tục tiếp xúc với các tác nhân phản ứng tấn công các sinh vật từ bên ngoài và bên trong. Trong vài thập kỷ qua, trọng tâm của nghiên cứu đã tập trung đặc biệt vào các gốc tự do do sự tham gia của chúng vào sự khởi phát và phát triển của nhiều bệnh.
Các gốc tự do là các loài hóa học không ổn định cao do sự hiện diện trong cấu trúc của một hoặc nhiều electron chưa ghép cặp. Sự phân phối điện tử đặc biệt làm cho các gốc tự do rất dễ phản ứng và cố gắng đạt đến trạng thái ổn định hơn bằng cách ghép với các phân tử hoặc nguyên tử khác, "đánh cắp" các nguyên tử hydro của chúng hoặc tương tác với các loài gốc khác.
Sau khi hình thành, các gốc tự do phản ứng nhanh với các phân tử khác thông qua các phản ứng oxy hóa - khử (oxi hóa khử) để đạt được cấu hình điện tử ổn định. Trong loại phản ứng này, có sự chuyển điện tử giữa các hợp chất tham gia phản ứng, trong đó một loài mất electron (quá trình oxy hóa) thành lợi thế của một loại khác thu được chúng (quá trình khử): phân tử mất điện tử là chất khử, còn chất khử chúng là chất oxy hóa.
Khi một gốc tự do phản ứng với một loài không gốc, nó có thể mất hoặc thu được các điện tử hoặc đơn giản là tham gia vào chính phân tử đó. Trong mọi trường hợp, các loài không gốc được chuyển thành một gốc mới gây ra phản ứng dây chuyền, trong đó một gốc tự do tạo ra một gốc tự do khác, cho đến khi hai gốc gặp nhau, ngăn chặn dòng phản ứng.
ROS (Loài oxy phản ứng) và các loài gốc phản ứng khác được sản xuất bởi chính các tế bào trong quá trình sinh lý bình thường, hoặc chúng có thể có nguồn gốc ngoại sinh. Bên trong cơ thể thường được giải phóng dưới dạng các sản phẩm phụ của quá trình hô hấp hiếu khí, một số quá trình enzyme và phản ứng miễn dịch, trong khi các yếu tố bên ngoài chính dẫn đến sự hình thành các gốc tự do là ô nhiễm khí quyển, bức xạ cực tím, hóa chất và căng thẳng .
Trong điều kiện sinh lý, hệ thống sống sở hữu hệ thống phòng thủ nội sinh bảo vệ các phân tử sinh học cấu trúc và chức năng khỏi sự tấn công của gốc tự do. Các hệ thống phòng thủ này, có thể là enzyme (glutathione, superoxide effutase, catalase) và không enzyme (các phân tử chống oxy hóa và vitamin được thực hiện trong chế độ ăn uống), phản ứng với các loài gốc trước khi chúng có thể tấn công các cấu trúc sinh học, làm giảm tiềm năng của chúng có hại.
Khi không có "hàng rào chống oxy hóa" này, các gốc tự do phản ứng nhanh với các phân tử sinh học đe dọa đến tính mạng, như DNA, lipid và protein, gây tổn thương tế bào nghiêm trọng và thậm chí là chết tế bào.
Do tiếp xúc quá nhiều với các loài oxy hóa phản ứng cao, sự cân bằng giữa các gốc tự do và chất chống oxy hóa có thể ít hơn; Điều này gây ra tình trạng căng thẳng oxy hóa, chịu trách nhiệm cho những thiệt hại lớn làm tổn hại chức năng của tế bào và mô và có liên quan đến nhiều bệnh mãn tính, như rối loạn tuần hoàn tim mạch (xơ vữa động mạch, thiếu máu cục bộ, đột quỵ), tiểu đường, ung thư, bệnh tật thoái hóa thần kinh (ví dụ như bệnh Parkinson, Alzheimer). Hơn nữa, stress oxy hóa là một trong những nguyên nhân chính gây lão hóa tế bào. Trên thực tế, ROS tấn công các polyside của lipid gây ra quá trình oxy hóa của chúng (peroxid hóa lipid). Sự thay đổi của các chuỗi lipid thể hiện một sự phá hủy nghiêm trọng đối với màng tế bào, trở nên dễ thấm hơn và mất hiệu quả, với sự lão hóa sớm của các tế bào và mô.
Từ quan điểm hóa học, các gốc tự do tạo thành một nhóm lớn các hợp chất, để đơn giản hóa, có thể được chia thành hai loại chính: ROS (Loài oxy phản ứng), là các loài phản ứng có chứa oxy và cũng bao gồm các phân tử không gốc như peroxit và RNS (Loài Nitrogen phản ứng) bao gồm các loại nitơ gốc (gốc oxit nitric NO và peroxynitrite).
ROS được hình thành về mặt sinh lý với số lượng nhỏ là sản phẩm thứ cấp của quá trình chuyển hóa hô hấp, nhưng chúng có thể được tạo ra với số lượng lớn cũng do các yếu tố môi trường, như bức xạ UV và ô nhiễm, hoặc do tác động của hệ thống miễn dịch sau khi kích hoạt phản ứng viêm. ROS bao gồm cả các loài gốc như superoxide anion, gốc hydroxyl và hydroperoxyl, và các loài không gốc như hydro peroxide (H 2 O 2 ) và oxy singlet. Các gốc hydroxyl và oxy singlet là những dạng phản ứng mạnh nhất trong số các gốc tự do, vì chúng nhanh chóng oxy hóa tất cả các phân tử sinh học, đặc biệt là chất béo không bão hòa, protein, axit nucleic, gây tổn hại nghiêm trọng cho các tế bào.
