在生物系统中，自由基的中和是维持稳态的关键。氢原子是一种理想的中和物质，当两个氢原子结合成氢气分子时，可以产生稳定的化合物。尽管氢气不是自由基，但它可以分解为两个氢原子自由基，这些自由基相对温和，不会对生物分子造成破坏，并且能够与其他自由基发生中和反应，解决生物氧化问题。
氧化还原反应是生物化学中最重要的反应之一，细胞氧化还原稳态失衡是生物衰老和疾病发生的重要原因。当活性氧或自由基增加并无法被抗氧化剂有效控制时，细胞内的氧化应激现象会发生，导致生物分子的氧化破坏和细胞功能紊乱。
氧和氢是特殊的原子，氧气本质上属于自由基。氧原子与其他元素结合时会发生氧化反应，释放出较多的能量。细胞能量代谢通常是通过多步骤的氧化还原反应进行的，这些反应会缓慢释放能量。
氧原子具有8个电子，其中2个电子位于第一个轨道上，6个电子位于第二个轨道上。两个氧原子结合形成的氧分子共有16个电子，每个氧原子外层都有2个未配对电子。这种电子结构使得氧气容易形成自由基。氢原子是元素周期表中排名第一的元素，由一个质子和一个未配对的电子组成，因此是典型的自由基。当氢原子失去一个电子时，变成带正电的氢离子，也就是氢气。
氢气可以扩散到细胞质中，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副产物。肠道产生的氢气是碳水化合物发酵的主要气体标记物。此外，微生物还可以通过与一氧化碳的反应产生氢气。在缺氧条件下，动物和人体细胞也能制造一氧化碳，并通过调节细胞功能来发挥作用。
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