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对于生物体的代谢有一种自相矛盾的情况，虽然大部分地球上的生物需要氧气来维持生存，但同时氧气又是一种高反应活性的分子，可以通过产生活性氧物质破坏生物体。所以生物体中建立了一套由抗氧化的代谢产物和酶构成的复杂网络系统，通过有抗氧化作用的代谢中间体和产物与酶之间的协同配合使得重要的细胞成分比如DNA、蛋白质和脂类免受氧化损伤。抗氧化系统大体上通过两种方式实现抗氧化作用，一种是通过阻止活性氧物质的产生来实现的，另一种是在这些活性物质对细胞的重要成分造成损伤之前清除它们来达到抗氧化作用的 。然而这些活性氧物质也有重要的细胞功能，比如在生化反应中充当氧化还原信号分子。因此生物体中抗氧化系统的作用不是氧化性物质地全部清除，而是将这些物质保持在适当的水平。
在细胞内产生的活性氧物种包括过氧化氢()、次氯酸()、自由基例如羟基自由基(·OH)和超氧化物阴离子() 。羟基自由基特别不稳定，能无特异性地迅速与大多数生物分子反应。这类物种主要是由金属催化过氧化氢还原（比如芬顿反应）产生的 。这些氧化剂通过引发链反应比如脂质的过氧化反应、或氧化DNA和蛋白质破坏细胞。受到损害的DNA如果没有得到修复会引起突变、诱发癌症。对蛋白质造成的损伤会使酶的活性受到抑制、蛋白质发生变性或降解。

根据溶解性抗氧化剂可分为两大类：水溶性抗氧化剂和脂溶性抗氧化剂。水溶性抗氧化剂通常存在于细胞质基质和血浆中，脂溶性抗氧化剂则保护细胞膜的脂质免受过氧化 。这些化合物或在人体内生物合成或通过膳食摄取。不同抗氧化剂以一定范围的浓度分布于体液和组织中 。谷胱甘肽和辅酶主要存在于细胞中，而其他抗氧化剂比如尿酸它们的分布更为广泛（详见下表）。一些抗氧化剂由于既有抗氧化作用也是重要的病原体和致病因子所以只存在于某些特定机体组织中。
一些化合物通过与过渡金属配位螯合来阻止金属在细胞中催化自由基的产生，从而起到抗氧化防御的作用。这种抗氧化防御手段中特别重要的一点是要将铁离子通过配位螯合隔离起来，因为铁离子是一些铁结合蛋白（iron-binding proteins）比如运铁蛋白和铁蛋白能发挥作用的关键。硒和锌通常被认为是抗氧化营养素（antioxidant nutrients），这两种元素本身没有抗氧化作用但会对一些抗氧化酶的活性起到作用。

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