La phase initiale consiste en l’apparition d’un radical O2 
– ou OH ou encore R dont la formation est favorisée par la présence d’un métal, fer ou cuivre à l’état libre. Le radical libre peut interagir avec une seule molécule cible ou créer une réaction en chaîne dans laquelle un radical R transforme une molécule R’ en radical R’ qui elle-même réagit avec une autre molécule. Les réactions suivantes illustrent cette possibilité (L = lipide).
R + LH → L+ RH
L + O2 → LOO
LOO + L’H → L’OOH + L’
Le peroxyde formé réagit ensuite avec le fer pour former de nouveaux radicaux :
Les réactions radicalaires sont à l’origine de la peroxydation lipidique se traduisant in vitro par le rancissement.
Les réactions radicalaires engendrées par le tétrachlorure de carbone illustrent cet aspect. Le tétrachlorure de carbone C-Cl4 est métabolisé par le cytochrome P-450 en radical trichlorure de carbone C-Cl3 qui réagit avec l’oxygène pour donner le radical péroxyl C-Cl3O-O qui à, son tour, réagit avec diverses molécules, parmi lesquelles les acides gras insaturés.
Les radicaux étant très réactifs, réagissent avec les premières molécules qu’ils rencontrent et particulièrement les lipides, les acides nucléiques, les acides aminés.
Parmi les acides gras, ce sont les acides polyinsaturés comme l’acide linolénique ou l’acide eicosapentenoïque qui comporte plusieurs doubles liaisons, qui sont les plus sujets aux attaques radicalaires.
Les acides gras monoinsaturés, comme l’acide oléique, qui comportent une seule double liaison sont moins sensibles et les acides gras saturés réagissent encore moins.
Les radicaux libres détachent d’un atome de carbone d’une molécule d’acide gras un hydrogène (proton + électron) laissant un carbone avec un électron célibataire, c’est-à-dire un nouveau radical libre. Cet électron célibataire va, en se déplaçant dans la molécule, provoquer des réarrangements suivis de la fixation d’oxygène sous forme radicalaire O2–, à l’origine de la poursuite de la réaction.
Les lipides peroxydés donnent des aldéhydes comme le malondialdéhyde et le 4-hydroxynonénal qui attaquent les fonctions amine et SH des protéines.
La plupart des études ont considéré que les radicaux libres altéraient dans un premier temps la bicouche lipidique des membranes cellulaires. Un certain nombre de travaux récents suggèrent que l’altération membranaire n’est souvent que la conséquence de modifications intracellulaires, attaque par les radicaux libres du DNA nucléaire et mitochondrial et de diverses protéines à groupes SH. Dans ce dernier cas, l’élévation de marqueurs comme le malondialdéhyde ne serait que la conséquence de la destruction cellulaire. Parmi les bases puriques et pyrimidiques qui constituent le DNA et le RNA, c’est la thymine et la cytosine qui paraissent les plus sensibles à l’attaque radicalaire.
