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自由基可损伤细胞及细胞器膜、线粒体、DNA，激活核酸内切酶和半胱氨天冬蛋白酶（caspase），因而促进细胞凋亡已有诸多报道。MODS 过程中的各阶段都有过量氧自由基产生。超氧阴离子自由基与一氧化氮作用产生的过氧亚硝酸根阴离子（peroxynitrite， ONOO—）自由基，其损伤细胞引起凋亡的作用更强。ONOO— 破坏DNA 并诱导线粒体膜孔通道开放，释出细胞色素c，活化caspase 引起凋亡。N-乙酰半胱氨酸及其他自由基清除剂可阻断DNA 裂解及细胞凋亡。近来报道Bcl-2 及Bcl-xL 具有抗氧化剂性质，可保护细胞免于H2O2 等诱导的细胞凋亡。
还有报道Bcl-2 可保护巨噬细胞免于NO 介导的细胞凋亡。增强抗氧化能力可阻断凋亡的发生。氧自由基活化NF-κB 而启动炎性细胞因子基因转录。