在正常情况下，人体内的自由基主要有：过氧基 Peroxyl Radical (ROO.) 、氢氧基 Hydroxyl. Radical (OH)、高氧基 Superoxide Radical (O2)、氮氧基 Nitric Oxide (NO.)等几种。自由基对人体，亦敌亦友，是处于不断产生与清除的动态平衡之中。一方面自由基是机体防御系统的组成部分，如不能维持一定水平的自由基则会对机体的生命活动带来不利影响，但另一方面如果自由基产生过多或清除过慢，它通过攻击生命大分子物质及各种细胞，会造成机体在分子水平、细胞水平及组织器官水平的各种损伤，加速机体的衰老进程并诱发各种疾病。
   1956年，英国著名的哈曼博士提出了在医学界和抗衰老领域里享有盛誉的《自由基衰老理论》，理论中称自由基是“百病之源”，人类衰、老、亡的“元凶”。

在化学结构上，自由基是指未配对电子的基因、分子或原子，以小圆点（·）来表示未配对的电子。人体内的自由基，主要有各种化合物分子中的共价键在外界（如光、热、染发剂等）作用下分裂成含有不成对价电子的原子或原子团，成为不稳定的自由基。它有很大的能量从稳定的原子或分子上夺得一个电子以求达到平衡，这样就会使被夺走电子的原子或分子成为不稳定的新的自由基，形成连锁反应，不断形成新的自由基。

自由基在生物体内普遍存在，按其化学结构自由基可为分为三种类型：①半醌类自由基，如黄素类半醌自由基；②氧中心自由基，简称氧自由基，包括超氧阴离子自由基(O2 )、羟自由基(·OH)、烷氧自由基(RO·)、烷过氧自由基(ROO·)、氢过氧自由基(HOO·)。近年来研究较多的活性氮自由基(NO和NO2－)也可算作氧自由基。③其他碳、氮、硫中心自由基。上述氧自由基及其衍生物H2O2、脂质过氧化物(LOOH)及单线态氧(1O2，singlet oxygen)等统称为活性氧(reactive oxygen species, ROS)，它是指氧的某些产物和一些反应的含氧产物，它的特点是含有氧，化学性质较氧活泼。ROS对生物机体可产生一系列的有害作用，其毒害作用称为氧的毒性。种种有害后果与许多疾病的发生密切相关，因此生物体内ROS的生成与清除的平衡对生命过程的正常进行具有重要作用。

自由基的主要种类

一氧化氮(nitric oxide, NO)是20世纪80年代发现的一种自由基，它是体内重要的信使分子和效应分子，是当代医学研究的热点和前沿之一。NO的化学性质活泼，可迅速与O2、O2 、铁、铜、镁等反应，其中与O2 反应可生成过氧亚硝基阴离子(ONOO－)，后者是一强氧化剂。在生物体内，与NO有关的自由基和化合物有数十种，NO及其相关产物相互反应，在机体内生成一系列具有重要生物功用的自由基和硝基化合物，即所谓的生物活性氮。
   NO在生物体内主要是由NO合酶(NO synthase, NOS)催化合成与释放的，即NOS催化L-精氨酸和O2为底物生成NO和L-瓜氨酸。根据NO的表达与调节，NOS分成两大型：一是组成型NOS(constitutive NOS, cNOS)，其活性依赖于Ca2+和钙调蛋白，可间歇性不断表达，根据存在部位，又分为神经元型和内皮细胞型。二是诱导型NOS(inducible NOS,iNOS), 其活性不依赖于Ca2+和钙调蛋白, 但受细胞因子和特殊的信号分子刺激和诱导，在生理条件下不表达，细胞受刺激时才高表达。主要存在于巨噬细胞、中性粒细胞、成纤维细胞、血管内皮细胞等。
  NO可作为信号分子在体内起重要生理作用。它可作用其靶受体---可溶性的鸟苷酸环化酶，激活该酶使GTP环化为cGMP，后者再刺激cGMP依赖的蛋白激酶，调节磷酸二酯酶和离子通道，发挥一系列生物效应：松弛平滑肌、舒张血管，抑制平滑肌细胞增殖，抑制血小板粘附和聚集，保护细胞、增加神经递质释放。NO还可介导炎症时巨噬细胞和中性粒细胞杀灭微生物的作用。
除此之外，NO还可作为细胞毒分子，参与多种疾病的病理过程。

在人体内，除上表中各种自由基之外，在体内的各种生化反应过程中，还会形成许多虽然电子是配对的，但极易失去一个电子而转变为自由基的含氧化和物，如下表：

极易转变为自由基的氧化物

自由基的连锁反应非常多，如下：

由超氧阴离子（O^-₂﹒）所引起的连锁反应：

O₂^-﹒+ H⁺  ═ HOO﹒

2 O₂^-﹒+ 2H⁺ → H₂O₂ + O₂

O₂^-+ H₂O₂ → HO﹒ + OH^- + O₂

由羟自由基（HO﹒）所引起的连锁反应：

                      HO﹒+ RH  → R﹒ + H₂O

             R﹒ + O₂  → ROO^-

           ROO^- + RH → ROOH +R﹒

这种连锁反应有两种情况可被终止，一种是被反应物的浓度越来越少，另一种是遇到自由基清除剂（抗氧化物）。

超氧阴离子O₂^-﹒由氧分子的一个点子还原而成：

                      O₂ →O₂^-﹒

由细胞膜阴离子系统向细胞外漏出，在1μmol/L浓度、Ph值为7时的寿命为5s，扩散距离100μm.

羟自由基为高反应性自由基，其反应距离短，速度快，攻击力强，对细胞等组织的毒性强，毒害大。

 (一)外源性自由基
1．电离辐射及大气污染 如γ和X射线、紫外照射可使人体内产生·OH；汽车排出的碳化氢，空气烟雾中的氟利昂等经太阳紫外线照射及光分解产生多种碳的自由基及卤原子；大气中的臭氧也可能转变成过氧化物自由基。香烟燃烧的烟气可产生大量的自由基。
2．药物 解热镇痛药、抗结核药、硝基化合物药物、含醌式结构的抗癌药(如博莱霉素)、类固醇激素等进入体内可产生O2 、·OH及H2O2等。
3．其他 如环境污染的镉、水银、铅等重金属离子及杀虫剂的毒性与自由基相关；茶叶和植物油在空气中放置过久，自由基含量增加。

(二)内源性自由基
细胞内线粒体、内质网、细胞核、过氧化物酶体、质膜及胞液等都可产生自由基。其中有些是酶促反应，有些是非酶促反应。
1．O2 的产生 通过线粒体中的辅酶Q·半醌、内质网膜上细胞色素P450和血红蛋白、肌红蛋白、肾上腺素等自氧化作用均可产生O2 。
SQ·+O2 ────→ Q + O2
胞液中的黄嘌呤氧化酶与醛氧化酶、线粒体中的黄素蛋白酶、内质网中的NADPH-细胞色素P450还原酶和质膜上的NADPH氧化酶等酶促氧化过程中均可产生O2 。
黄嘌呤氧化酶
黄嘌呤＋2O2＋H2O ───────→尿酸＋2O2 ＋2H+
2．·OH的产生 机体内中的·OH的生成主要是通过Fenton反应由O2直接衍生形成，该反应是先由歧化反应(既可自发歧化，也可酶促歧化)催化O2生成H2O2，后者再与O2在过渡金属离子存在下转变为毒性更强的·OH，这是体内·OH的主要来源。
O2 + O2 + 2H+ ────────→H2O2+O2 (歧化反应)
过渡金属离子
O2 ＋H2O2 ────────→O2＋·OH＋OH－(Fenton反应)
歧化反应是指反应中的某种底物既能作为还原剂供应电子，又可作为氧化剂接受电子。上述反应中的O2 就承担这种角色，故属于歧化反应。
过氧化物酶体中多种需氧脱氢酶催化生成的H2O2，如不迅速被分解，在Fe2+的催化下也可生成·OH。
H2O2＋Fe2++H+ ──→·OH＋H2O＋Fe3+
3．吞噬细胞中活性氧的产生 粒细胞、单核细胞、巨噬细胞在吞噬细菌或炎症刺激物的刺激时，由NADPH氧化酶介导生成的O2 ，经歧化反应生成H2O2。后者除可生成·OH外，在Cl－存在时，经髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)的作用，生成活性很强的次氯酸(HOCl)和1O2，1O2是一个强的亲电子性的氧化剂。
MPO
H2O2＋Cl－ ───────→ H2O＋OCl－
MPO
OCl－＋H2O2 ──────→ H2O＋1O2＋Cl－
4．脂质过氧化作用 机体通过酶促反应和非酶促反应产生的活性氧，能攻击生物膜磷脂中的多聚不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acid, PUFA)引发一种自由基链式反应，链式地产生脂质过氧化物(又称脂氢过氧化物)，这种作用就称为脂质过氧化作用(lipid peroxidation)。即在光或某种射线或自由基的作用下，可使PUFA脂质分子(用LH表示)脱去1个氢原子形成脂质自由基(L·)，此脂质自由基与氧反应形成脂质过氧自由基(LOO·)，后者再进攻其他脂质分子，夺取其氢原子，再生成新的自由基和LOOH，此反应可反复进行，从而导致PUFA分子的不断消耗和LOOH的大量产生。在过氧化条件下，它们是不稳定的，能分解成一系列复杂产物，包括小分子的醛、酮、醇、醚、羧酸、烷烃和烯烃产物以及氧自由 基。通常以小分子降解产物的数量表示脂质过氧化的程度。 

 二、自由基形成有生化的、化学的和物理的各种方式，其中最主要的是生化反应所形成的自由基。

细胞在正常代谢过程中，存在许多细胞内酶的各种催化活动，这类酶化反应是形成自由基的最重要途径。如细胞内存在的黄嘌呤氧化酶等重要的可溶性酶类，都会诱发大量的自由基：

               次嘌呤酸 + H₂O +2O₂ →    黄嘌呤 +  2O₂^- ﹒ + 2H⁺

               黄嘌呤 + H₂O +2O₂ → 尿酸 + 2O₂^-﹒  + 2H⁺

 也可是非酶催化的反应过程，如：

                血红蛋白Fe²⁺ + O₂  →血红蛋白Fe³⁺ +  O₂^- ﹒

 上式产生的O₂^- ﹒在一定条件下，能形成HO﹒。

 此外，也可由O₂^- ﹒与一氧化氮（NO）反应而产生HO﹒ ：

             O₂^-﹒  + NO → O₂ NO → HO﹒+ NO₂

 当细菌侵入身体后，为杀灭入侵的细菌，白细胞中的嗜中性白细胞因受激而使膜表面释放出自由基，即通过还原型辅酶(NADPH)氧化酶的激活，使细胞之中的还原型辅酶(NADPH)氧化成辅酶(NADP⁺)，同时产生氧自由基 O₂^- ﹒：

              NADPH  +  2O₂  → NADP⁺  +  O₂^- ﹒ +  H⁺

然后还会进一步生成HO﹒和H₂O。

这些氧自由基对侵入体内的细菌等外放，有很强的杀伤能力，也包括对炎症、化学物质等的消除能力。这是自由基在维持肌体正常代谢中的积极作用，是必不可少的有益贡献。此外，自由基还有促进前列腺素、凝血酶原、胶原蛋白的合成，参与肝脏戒毒、调节细胞分裂等作用。

在正常情况下，一般总有2%-5%的多余自由基，这些多余的自由基就成为有害的物质。

除正常情况外，一些化学物质（抗菌素、杀虫剂、农药等）、污染的空气、香烟的烟雾和焦油、光化学空气污染物，乃至运动、心理压力等也都会激发自由基的产生。而在人体内部，如当发生炎症、缺血、心肌梗死、脑血栓发作等时，以及体内部分组织一旦血液停止流动到再开始流动的这一瞬间，都会爆发性地产生大量自由基，这是由于体内的再生而导致急剧的活动，伴随着剧烈活动的同时所产生的自由基。

体内自由基的产生，基本上分为内因性和外因性两大类，内因性中又可分为在细胞内和向细胞外部释放两类。主要情况见下表：

体内氧自由基的产生