氧化还原反应是生物化学最重要的反应方式，细胞氧化还原稳态失衡是生物衰老的基础，也是疾病发生的重要原因。氧化剂和抗氧化剂在细胞内失去平衡一般用氧化应激来表达，一般是因为活性氧或自由基增加，无法被抗氧化剂有效控制，细胞自身成分的生物分子被氧化破坏，导致细胞功能紊乱。
氢和氧是比较特殊的原子，氧气本质上属于自由基。氧原子和其他元素结合时，称为氧化，这种过程可以释放出较多能量。细胞能量代谢往往是经过许多步骤逐渐进行的氧化还原反应，步骤多表现为能量的缓慢释放。
在元素周期表上，氧的原子序数是8，这意味着一个氧原子拥有8个电子。氧原子核外电子是按照以下顺序排列的:第一个轨道上有2个电子，第二个轨道上有6个电子。两个氧原子组成的氧分子共有16个电子。每个氧原子外层都有2个未配对电子在不同轨道上。这种电子结构使氧气特别容易形成自由基。自由基是任何在其外层轨道上含有未配对电子的化学物质，根据自由基的定义，有人认为氧气本身就是一种特殊的自由基。
氢原子在元素周期表上排名第一。它由一个质子和一个未配对的电子组成，因此氢原子是一个典型的自由基。当氢原子失去一个电子时，剩下的只有一个质子。它变成带正电的氢离子，也就是氢气。
氢气是一种气体，当两个氢原子结合成一个氢分子，由两个质子和两个电子组成。因为氢气分子的两个电子形成共价键，没有未成对电子，不属于自由基，但如果氢气分解为两个氢原子，则可以产生两个自由基。
氢氧化物(OH−)，也被称为羟基离子，不是自由基。分子氧的连续还原导致形成一组活性氧，如超氧阴离子和羟基自由基。羟基自由基•OH是氢氧离子(OH -)的中性形式，是一种活性很强的自由基。超氧阴离子(O2−•)在细胞生物学中具有重要意义，因为它能导致其他活性氧的形成，可以认为是生物体系活性氧源头。O2 -•可以自发地或在超氧化物歧化酶(SOD)催化的反应中蜕变为分子氧(O2)和过氧化氢。过氧化氢通过几种途径转化为•OH，通过Haber-Weiss反应和Fenton反应催化金属(图1)。
人使用氢气产品后，氢气如何进入细胞发挥作用是许多人希望了解的知识。
氢气扩散到细胞质中，迅速到达细胞核和线粒体。内源性氢气是肠道菌群发酵碳水化合物时产生的厌氧代谢副产品。肠内产生氢气，是碳水化合物发酵的主要气体标记物。虽然很明显身体内氢气是由肠道产生的，但是否氢气存在于呼出的气体中仍是争论的话题。呼气测试包括摄入碳水化合物(乳果糖或葡萄糖)，并测量一段时间内呼出的氢气气体浓度。细菌产生氢气的另一个途径是在人类肠道中丙酮酸裂解成甲酸盐，但这一途径尚未被证实。氢化酶可以利用氢气作为底物，也可以通过2H+ + 2e−⇌H2的反应还原质子来产生氢气。
微生物通过与一氧化碳(CO)的水煤气转换反应产生氢气: CO + H2O→CO2 + H2。一些光合细菌的独特之处在于它们含有一氧化碳(CO)氧化途径，可以将一氧化碳和H2O转化为氢气和二氧化碳。在生物介导的反应中，一氧化碳脱氢酶(CODH)氧化一氧化碳，释放电子。随后，偶联氢化酶将释放的电子还原为氢气。在缺氧条件下，动物和人血管平滑肌细胞可以制作一氧化碳，且可以通过cGMP调节细胞功能。
