过量的活性氧可与线粒体电子传递链多种蛋白硫氧还中心的Fe-S簇的Cys残基反应，形成蛋白的S-谷胱甘肽化的加合物。过量的活性氧，可损伤生长因子、转录因子、蛋白质、核酸、糖类、脂类等。
生长因子等
适量的活性氧可通过活化表皮生长因子受体EGFR，激活磷脂酶PLA2/PLD，分解膜磷脂产生甘油二酯、三磷酸肌醇，活化蛋白激酶C，使DNA依赖的蛋白激酶和DNA断端结合蛋白形成的复合体增加，促进对DNA双链断裂的修复，促进细胞存活。
活性氧过度产生时，可促使磷酸酶PTPIB、PTEN、细胞周期相关蛋白cde25失活，促进蛋白酪氨酸激酶PTK过度磷酸化活化，可促进NADPH氧化酶产生大量活性氧，过度活化钙离于/钙调蛋白激酶CaMK，引起生长抑制蛋白p21，p27表达水平上调，使生长因子、转录因子AP-1/c-Myb/Sp-1/EGR-1等降解、细胞骨架形成障碍、细胞周期停滞、生长受抑，促进细胞凋亡。
蛋白酪氨酸激酶、转录因子等
适量的活性氧可激活非受体酪氨酸激酶Src等，再通过结合下游信号蛋白，激活Ras/蛋白激酶MAPK.使转录因子磷酸化，促进靶基因表达、但活性氧过度产生时，使Src/Ras/蛋白激酶p38MAPK和蛋白激酶JNK过度激活，能氧化损伤转录因子cMyb、Sp-1、EGR-1、缺氧诱导因子HIF-1、cFos，cJun、AP-1等的半胱氨酸-SH基，使它们丧失与靶基因启动子的结合力，抑制靶基因表达，促进细胞凋亡。
蛋白激酶C
适量的活性氧可激活蛋白激酶C，引发一系列蛋白质磷酸化，促进细胞增殖;高浓度的活性氧使蛋白激酶C过度活化，可使胱冬蛋白酶caspase依赖的凋亡通路活化，促细胞凋亡。
PI3K
适量的活性氧可激活蛋白激酶PI3K信号通路，抗辐射。活性氧过度产生时，过度上调蛋白激酶P13K/Akt的水平，可引发放射线照射后的细胞凋亡。活性氧过度产生时，也可与Fe2+进行自由基反应，产生毒性OH-，可造成DNA突变、断裂，促进细胞凋亡。
Ca+/CaM，oxLDL
活性氧过度产生时，能氧化钙调蛋白CaM的Met残基，使之持续活化，可过度激活钙调蛋白激酶CaMK，促细胞凋亡。活性氧过度产生时，能氧化产生氧化型低密度脂蛋白oxLDL，并通过清道夫受体LOX-1，上调促凋亡因子p53，Bax的表达水平；能使抗氧化酶如SOD，CAT，GPx的Cys残基，形成二硫键而失活，降低细胞抗氧化力;也可使端粒酶活性下降，抑制细胞生长;也能上调凋亡诱导因子AIF活性，使PGC1a/锌结合蛋白KEAPI/核受体因子NRF2/钙离子/钙调蛋白激酶/叉头盒蛋白FoxO通路持续活化，促进细胞凋亡。
胶原合成
活性氧过度产生时，还可经转录因子Smad2/3、蛋白激酶ERK1/2、黏附斑激酶FAK、蛋白激酶P13K/Akt、蛋白激酶p38MAPK、蛋白激酶C8、核因子NF-kB等，促进胶原合成，促进纤维化。
还原物
与细胞外环境相比，细胞质通常处在还原状态，这由细胞内的疏基化合物的还原能力来维持，主要有谷胱甘肽、维生素C/E、硫氧还蛋白（TRX），可下调H2O2，和脂质过氧化物的水平，抑制细胞的氧化应激。活性氧过度产生时，可引起还原物谷胱甘肽、维生素C/E、硫氧还蛋白的耗竭，增加细胞对活性氧的敏感度。
蛋白质、DNA
活性氧过度产生时，可诱导大分子发生氧化反应，氧化蛋白质的Ser和Cys残基上的功能基团，引起构型、信号改变;可使核因子NF-kB、蛋白激酶C催化结构域内Cys残基形成二硫键，上调NF-kB，蛋白激酶C的活性，催化产生H2O2，活性氧过度产生时，也可直接氧化、活化缺氧诱导因子HIF-1中的Cys残基，促进炎症及凋亡;能氧化某些酶中的[4Fe2+-4S]中心，导致Fe2+的释放，Fe2+可经Fenton反应产生大量活性氧；Fe2+的释放也可引起某些金属蛋白质失活。活性氧过度产生时，也可氧化信号分子、细胞因子、蛋白质、核酸、糖类、脂类等，使之受损。
活性氧与细胞质Ca+水平
活性氧过度产生时，通过上调三磷酸肌醇，使胞内的内质网膜三磷酸肌醇受体-钙离子通道开放，内质网钙库释放钙离子，细胞质高水平钙离子/钙调蛋白激酶CaMK，可使质膜L型电压门控钙离子通道开放，胞外钙离子流入，可诱发线粒体双层膜通透孔开放，使线粒体肿胀、破裂，线粒体膜间腔钙库释放钙离子，可使细胞质Ca2+超载，活性氧大量产生。
胞质高水平钙离子可活化蛋白激酶JNK/FoxO及巨噬细胞刺激因子MST1/FoxO等信号通路，促细胞凋亡；可使锌结合蛋白KEAP1的Cys151/273/288残基被氧化、活化，可释放Zn2+并抑制核受体因子NRF2，并经Ⅱ相异生化酶、缺氧/UV辐射相关蛋白等，阻断DNA修复，促细胞凋亡。近年发现活性氧的信号通路可被氧化磷酸化的解耦联剂FCCP阻断，并减少胞质钙离子。