对核酸的氧化损伤
DNA 的氧化损伤主要包括：一是碱基的修饰。羟基自由基可对胸腺嘧啶的5，6-双键进行加成，形成胸腺嘧啶自由基。碱基的改变可导致其基团控制下的许多生化与蛋白合成过程受到破坏。二是键的断裂。自由基从DNA 的戊糖夺取了氢原子，使之在C4位置形成具有未配对电子的自由基，然后，此自由基又在β-位置发生链的断裂。O2也能分解核苷酸，尤其是鸟苷酸，对鸟苷、腺苷、胞苷及尿苷分解的比例为26∶13∶8∶1。受到氧化损伤后的DNA 可能会发生断裂、突变以及对热稳定性改变等，从而严重影响了遗传信息的正常转录、翻译过程。
对蛋白质的氧化损伤
活性氧对蛋白质的作用包括修饰氨基酸，使肽链断裂，形成蛋白质的交联聚合物，改变构像和免疫原性等5 个方面。
修饰氨基酸
蛋白质分子中起关键作用的氨基酸成分对自由基损害特别敏感，以芳香氨基酸和含硫氨基酸最为突出，不同的自由基对特定氨基酸侧链有特殊影响，如超氧阴离子介导甲硫氨酸氧化成为甲硫氨酸亚砜，半胱氨酸氧化成为磺基丙氨酸；羟自由基可以将脂肪族氨基酸α-位置上的一个氢原子去掉；烷氧自由基和过氧自由基等中间产物可以使色氨酸氧化为犬尿氨酸、N-甲基犬尿氨酸和五羟色氨酸。
使肽链断裂
活性氧所致蛋白质肽链断裂方式有2 种，一种是肽链水解，另一种是从α-碳原子处直接断裂，究竟以何种方式断裂取决于活性氧和蛋白质的类型、浓度和二者之间的反应速率。肽键的水解常发生在脯氨酸处，其机制为活性氧攻击脯氨酸使之引入羰基而生成α-吡咯烷酮，经水解与其相邻的氨基酸断开，α-吡咯烷酮成为新的N-末端，可以进一步水解成为谷氨酰胺。肽链直接断裂的方式是活性氧攻击α-碳原子生成α-碳过氧基，后者转化为亚氨基肽，经过弱酸水解为氨基酸和双羧基化合物。
形成蛋白质交联聚合物
多种机制可以导致蛋白质的交联和聚合。蛋白质分子中的酪氨酸可以形成二酪氨酸，半胱氨酸氧化形成二硫键，两者均可以形成蛋白质的交联。交联可以分为分子内交联和分子间交联2 种形式。蛋白质分子中酪氨酸和半胱氨酸的数目可以决定交联的形式。另外，脂质过氧化产生的丙二醛（MDA）与蛋白质氨基酸残基反应生成烯胺，也可以造成蛋白质交联。生物体内单糖自动氧化的α-羰醛产物可以与蛋白质交联而使酶失活，并使膜变形性下降，导致细胞衰老与死亡。
改变构像
蛋白质经氧化后，热动力学上不稳定，部分三级结构打开，失去原有构像。用H2O2和抗坏血酸-Fe（III）氧化SOD，其紫外吸收增强，内源性荧光减弱，表明酶分子由紧密有序排列趋于松散无序。用自旋标记研究，探测到较低浓度抗坏血酸-Fe（III）和H2O2，就可以影响到SOD 分子亚基缔合或其周围的结构。
改变免疫原性
用H2O2，或H2O2，-Cu2 和抗坏血酸-Fe（III）体系作用于牛红细胞铜锌超氧化物歧化酶（SOD）， 人血清白蛋白（HAS） 和人IgG， 结果发现SOD、HAS 和IgG 与其抗体反应增强， 提示活性氧可能参与了某些自身免疫性疾病中抗原抗体复合物的形成过程。
对生物膜的损伤
自由基对生物膜的损伤是作用于细胞膜及亚细胞器膜上的多不饱和脂肪酸，使其发生脂质过氧化反应，脂质过氧化的中间产物脂自由基（L·）、脂氧自由基（LO·）、脂过氧自由基（LOO·）可以与膜蛋白发生攫氢反应生成蛋白质自由基，使蛋白质发生聚合和交联。另外，脂质过氧化的羰基产物（如丙二醛）也可攻击膜蛋白分子的氨基，导致蛋白质分子内交联和分子间交联。另一方面自由基也可直接与膜上的酶或与受体共价结合。这些氧化损伤破坏了镶嵌于膜系统上的许多酶和受体、离子通道的空间构型，使膜的完整性被破坏、膜流动性下降，膜脆性增加，细胞内外或细胞器内外物质和信息交换障碍，影响膜的功能与抗原特异性，导致广泛性损伤和病变。机体中HO·大部分在细胞器中产生，特别是在线粒体中产生，造成线粒体膜的损伤，导致细胞和机体的能量代谢障碍。
