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在静息状态下，机体内的自由基和抗氧化酶维持着动态平衡。然而，当受到过度训练或物理和化学因素的刺激时，自由基的增加打破了产生和之间的平衡。过多的自由基攻击细胞膜上的多不饱和脂肪酸，导致脂质过氧化。这个过程改变了膜的结构和功能，造成组织损伤，降低机体的工作能力，并导致疲劳。在严重情况下，它会导致遗传物质破坏、蛋白质交联或肽断裂，以及由于交联聚合而失活的关键代谢酶，引发一系列病理变化，如动脉粥样硬化、糖尿病、肿瘤、胃肠功能障碍、和免疫失衡。活性氧（ROS）是一系列具有活跃化学性质和强氧化能力的含氧物质的总称。这些包括过氧亚硝酸根离子（ONOO–）、超氧阴离子（O2–）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（OH–）、臭氧（O3）和单线态氧（1O2）。由于它们含有未配对的电子，它们表现出高化学反应性，要么是自由基，要么是由氧在体内正常代谢反应中直接或间接形成的衍生物。当机体受到病理因素刺激时，产生过多的ROS，破坏了ROS产生和去除的动态平衡。这导致机体的抗氧化能力下降，对蛋白质、脂质和核酸等生物大分子造成氧化损伤，形成氧化应激状态。在心、脑、肾等重要器官和组织的缺血或缺氧等刺激下，免疫细胞释放大量的ROS，包括过氧亚硝酸根离子和羟基自由基，导致细胞氧化损伤。研究显示，氢气具有强大的抗氧化作用，能够减轻局灶性脑缺血-再灌注损伤。这种作用是由于氢气选择性中和羟基自由基和过氧亚硝酸根离子。在全脑缺血/再灌注损伤的大鼠模型中观察到，富氢溶液能够通过影响线粒体通透性转换孔的开放，减轻脑缺血/再灌注损伤并保护神经元。化学方法证实，这种保护作用是通过中和缺血-再灌注损伤引起的自由基释放来实现的[13]。在使用生理盐水作为载体的研究中，发现饱和富氢溶液能够减轻小鼠的缺血/再灌注损伤。富氢溶液还显示出能够减少离子辐射对精子细胞的损害，并提高精子的生存能力。其他研究证实，氢分子选择性过量的活性氧物种，并上调超氧化物歧化酶（SOD）等抗氧化酶的活性。一项开放试验研究显示，患有代谢综合征的患者在饮用富氢液8周后，血液中的抗氧化酶SOD活性增加了39%，而尿液中的脂质过氧化产物水平降低了43%。这表明饮用富氢液可以安全有效地改善代谢综合征的，这归因于其抗氧化作用。