自由基指的是任何帶有不成對電子的原子或分子而言，根據量子力學的原理，這樣的原子或分子處於極不穩定的狀態，會攫取附近原子或分子上電，引發鏈鎖反應。氧是自然界中活性最高的分子，原始的無氧呼吸生命型態由於演化出利用氧氣進行代謝的機轉，因而進化為具有雜機能的高等生物，乃至於人類。在這樣的過程中，如格有效而安全地運用氧便成為生物所要面對的主要的生存課題。 生物體中氧的毒性主要來自於其被部分還原所產生的氧自由基(oxygen-derived free radicals)，又稱為活性氧(reactive oxygen species)。化學家早在一百年前就臆測氧自由基是造成疾病的重原因，這一觀點一直到一九六八年超氧歧化酶(susperoxide dismutase)被發現以來才逐漸被證實及重視。超氧歧化酶存在於所有的原及真核細胞中，自二十五億年前最原始的生命形態－藍綠藻就已演化出此一抗氧化的機轉。直至目前為止，活性氧已被發現與一百種以上的人類疾病有直接間接的關係，其中尤其與老化、心血管疾病、神經退化疾病、癌症以及各種發炎疾病的關係最顯著。 人體中活性氧的來源極多，在正常情形下最主要來自於粒線體中呼吸作用的副反應。除此之外，組織或器官的缺氧再灌流(ischemic reperfusion)、白血球活化、氧化還原酵素、血紅素自體氧化(auto-oxidation)、紫外線及輻射照射、藥物及環境毒物等等，均是活性氧及自由基的來源。由於氧自由基的活性極高、半生期極短，直接檢測十分困難。在化學上可以用各種印痕(fingerprint)法，例如電子自旋共振儀(electron spin resoname)來偵測自由基的種類。在臨床上常評估人體中的氧化壓力(oxidative stress)，也就是活性氧與體內抗氧化系統的平衡狀態。除了直接測量大分子受氧化後的代謝產物之外，另一方面也可以測定體內抗氧化物的改變情形來評估。 自然界及人體中存在有極多的天然抗氧化物質(antioxidant materials)，一般可分為酵素性(enzymatic)及非酵性素(non-enzymatic)。在人體細胞中有複雜的機轉調控這此酵素或物質的濃度及平衡狀態，在完全了解其分子機轉之前，不宜貿然補充某一特定的抗氧化。截至目前為止，唯一經過大規模臨床驗證的抗氧化劑，乃是維他命E用於心血疾病的初級預防(primary prevention)。在另一方面，基因轉殖(gene transfer)技術已成功地增加細胞抗氧化酶如SOD及觸酵(catalase)的基因，以此法可以有效減少自由基傷害及延長壽命。自由基生化學與分子生物學的結合，將成為本世紀生物科學及醫學的重大突破。