自由基最合理的中和物質(zhì)是其他自由基，氫原子是自由基，兩個氫原子結(jié)合起來就變成了穩(wěn)定的氫氣分子。氫氣雖然不是自由基，但如果打開氫氣分子的共價鍵可以產(chǎn)生兩個氫原子自由基，原子氫雖然是自由基，但相對溫和，不容易導致生物分子的破壞，且能和其他自由基發(fā)生中和反應，解決生物氧化的問題。氫原子這種天然美德恰好被生物系統(tǒng)巧妙利用，生物能量代謝就是一個傳遞氫原子的過程，也是把這種活性電子逐漸運輸給氧氣這個電子海綿的過程。氧氣也就是那個要被中和的最重要的自由基。

氧化還原反應是生物化學最重要的反應方式，細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡是生物衰老的基礎，也是疾病發(fā)生的重要原因。氧化劑和抗氧化劑在細胞內(nèi)失去平衡一般用氧化應激來表達，一般是因為活性氧或自由基增加，無法被抗氧化劑有效控制，細胞自身成分的生物分子被氧化破壞，導致細胞功能紊亂。

氫和氧是比較特殊的原子，氧氣本質(zhì)上屬于自由基。氧原子和其他元素結(jié)合時，稱為氧化，這種過程可以釋放出較多能量。細胞能量代謝往往是經(jīng)過許多步驟逐漸進行的氧化還原反應，步驟多表現(xiàn)為能量的緩慢釋放。

在元素周期表上，氧的原子序數(shù)是8，這意味著一個氧原子擁有8個電子。氧原子核外電子是按照以下順序排列的:個軌道上有2個電子，第二個軌道上有6個電子。兩個氧原子組成的氧分子共有16個電子。每個氧原子外層都有2個未配對電子在不同軌道上。這種電子結(jié)構(gòu)使氧氣特別容易形成自由基。自由基是任何在其外層軌道上含有未配對電子的化學物質(zhì)，根據(jù)自由基的定義，有人認為氧氣本身就是一種特殊的自由基。

氫原子在元素周期表上排名。它由一個質(zhì)子和一個未配對的電子組成，因此氫原子是一個典型的自由基。當氫原子失去一個電子時，剩下的只有一個質(zhì)子。它變成帶正電的氫離子，也就是氫氣。

氫氣是一種氣體，當兩個氫原子結(jié)合成一個氫分子，由兩個質(zhì)子和兩個電子組成。因為氫氣分子的兩個電子形成共價鍵，沒有未成對電子，不屬于自由基，但如果氫氣分解為兩個氫原子，則可以產(chǎn)生兩個自由基。

氫氧化物(OH?)，也被稱為羥基離子，不是自由基。分子氧的連續(xù)還原導致形成一組活性氧，如超氧陰離子和羥基自由基。羥基自由基?OH是氫氧離子(OH -)的中性形式，是一種活性很強的自由基。超氧陰離子(O2??)在細胞生物學中具有重要意義，因為它能導致其他活性氧的形成，可以認為是生物體系活性氧源頭。O2 -?可以自發(fā)地或在超氧化物歧化酶(SOD)催化的反應中蛻變?yōu)榉肿友?O2)和過氧化氫。過氧化氫通過幾種途徑轉(zhuǎn)化為?OH，通過Haber-Weiss反應和Fenton反應催化金屬(圖1)。

人使用氫氣產(chǎn)品后，氫氣如何進入細胞發(fā)揮作用是許多人希望了解的知識。

氫氣擴散到細胞質(zhì)中，迅速到達細胞核和線粒體。內(nèi)源性氫氣是腸道菌群發(fā)酵碳水化合物時產(chǎn)生的厭氧代謝副產(chǎn)品。腸內(nèi)產(chǎn)生氫氣，是碳水化合物發(fā)酵的主要氣體標記物。雖然很明顯身體內(nèi)氫氣是由腸道產(chǎn)生的，但是否氫氣存在于呼出的氣體中仍是爭論的話題。呼氣測試包括攝入碳水化合物(乳果糖或葡萄糖)，并測量一段時間內(nèi)呼出的氫氣氣體濃度。細菌產(chǎn)生氫氣的另一個途徑是在人類腸道中丙酮酸裂解成甲酸鹽，但這一途徑尚未被證實。氫化酶可以利用氫氣作為底物，也可以通過2H+ + 2e??H2的反應還原質(zhì)子來產(chǎn)生氫氣。

微生物通過與一氧化碳(CO)的水煤氣轉(zhuǎn)換反應產(chǎn)生氫氣: CO + H2O→CO2 + H2。一些光合細菌的獨特之處在于它們含有一氧化碳(CO)氧化途徑，可以將一氧化碳和H2O轉(zhuǎn)化為氫氣和二氧化碳。在生物介導的反應中，一氧化碳脫氫酶(CODH)氧化一氧化碳，釋放電子。隨后，偶聯(lián)氫化酶將釋放的電子還原為氫氣。在缺氧條件下，動物和人血管平滑肌細胞可以制作一氧化碳，且可以通過cGMP調(diào)節(jié)細胞功能。