W patologicznych sytuacjach, takich jak hiperoksja, stan niedokrwienia/reperfuzji, stany zapalne, czy działanie niektórych czynników zewnętrznych (np. promieniowanie lub chemioterapia) dochodzi do nadmiernej produkcji wolnych rodników, co może powodować uszkodzenie komórek lub indukować proces apoptozy. Wolne rodniki tlenowe i reaktywne formy tlenu mogą reagować z różnymi strukturami komórkowymi, powodując konwersję białek, peroksydację lipidową czy uszkodzenie struktury kwasów nukleinowych. Stres oksydacyjny jest stanem nadmiernej aktywności reaktywnych form tlenu i zaburzeniem równowagi pomiędzy ich wytwarzaniem a ich neutralizacją. Efekt działania wolnych rodników i przewlekły stres oksydacyjny leżą u podłoża wielu chorób, takich jak choroby neurodegeneracyjne, zwyrodnieniowe czy procesy zapalne. Szkodliwe skutki działania wolnych rodników mogą przyczyniać się do rozwoju chorób układu krążenia, chorób układu oddechowego, chorób nowotworowych, cukrzycy, chorób układu nerwowego, miażdżycy i niektórych schorze narządu wzroku, takich jak zaćma, jaskra czy zwyrodnienie plamki związane z wiekiem. Bardzo ważnym elementem obronnym jest utrzymanie prawidłowej aktywności antyoksydacyjnej w ustroju organizmów żywych.