1.清除毒性活性氧
前已提到，活性氧（ROS）是许多疾病发生和发展的共同关键因素，因此，ROS的清除在疾病治疗和预防中极为重要。但并非所有的ROS都具有破坏性，只有羟基自由基（•OH）是引起组织损伤的强氧化剂，而一些有益的自由基，如超氧化物和过氧化氢，不仅没有破坏作用，反而可以通过信号转导增强内源性抗氧化机制，在机体代谢中发挥重要作用。因此，抗氧化和抗氧化应激在于消除具有破坏作用的ROS自由基，即毒性ROS。
氢（H2）是一种弱还原剂，其氧化还原反应仅在强氧化剂下发生[Sano 2018]。另外H2的分子量最低，无极性，可以穿过细胞膜和脂质双分子层，迅速扩散至细胞核和线粒体，而这些正是最具侵袭力的ROS所处的位置(见后述)。
实验证明，H2仅清除•OH，而不清除•O2-、H2O2和NO。OHta团队[Ohsawa 2007]做了如下经典实验：将高压氢气或通过简单的氢气鼓泡使H2溶解在培养基中。H2培养基与O2饱和培养基以8:2(H2:O2)的比例混合。用特定的电极监测氢和氧的浓度和 pH值。用线粒体呼吸复合物III抑制剂抗霉素A处理培养的细胞,以诱导过量的•O2- 产生。•O2-迅速转化为H2O2，然后生成•OH。抗霉素A的加入增加了细胞内•O2-和H2O2的水平。结果显示：溶解在培养基中的H2没有改变•O2-和H2O2的水平，也没有降低细胞中NO的稳态。相比之下，H2处理显著降低了•OH的水平。即使细胞核区•OH，H2也使之降低。而且发现，抗霉素A处理后，H2阻止了线粒体膜电位的下降，表明H2保护线粒体免受•OH影响。
基于H2 •OH → H2O H•的放热反应和紧随其后的H• O2– → HO2–反应，氢分子作用的主要方式为直接清除羟基自由基。目前还没有已知的酶可专门用于处理•OH自由基（图2-2）。鉴于•OH几乎立即与细胞生物分子发生反应，是氧化损伤的主要引发剂，H2选择性地反应和中和羟基自由基，这是其他任何已知抗氧化剂都不具备的。
氢气提供H 与羟基反应生成水
2.增强机体天然抗氧化途径
过氧化氢酶（Catalase）和超氧化物歧化酶（SOD）分别对H2O2和O2•-有很强的解毒作用，理论上可以减轻ROS诱发的细胞损伤。在适当的浓度下，它们可在催化活性金属（如Fe2 和Cu ）下通过Haber-Weiss和Fenton反应，防止羟基自由基的产生。
3.调节核因子红系2相关因子2（Nrf2）通路
细胞抗氧化应激的一个重要机制是激活Nrf2抗氧化反应元件（ARE）信号通路，诱导II期酶。Nrf2被认为是亲电子/抗氧化剂稳态的重要调节剂，尤其是在氧化应激条件下可维持细胞功能的完整性。由ROS水平升高和/或抗氧化剂水平降低引起的细胞氧化还原状态失衡，是诱导Nrf2介导的转录反应的重要信号（图2-3）。
氢作用机制
在无压力的条件下，细胞质中的Nrf2水平受类似Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白1（Keap1蛋白）的调节，防止其释放到细胞核中并降解。
在有压力的条件下，Nrf2通路被激活，能诱发Nrf2从Keap1蛋白解离，将Nrf2转录因子转移到细胞核中，并与称为ARE或亲电反应性元素（EpRE）的同源DNA调控元件结合。这种结合触发抗氧化剂基因的转录，导致许多细胞保护蛋白的产生。
H2可以激活Nrf2/EpRE信号通路，防止脂质过氧化，刺激天然抗氧化剂SOD-2的产生，并增加Ser473上的Akt激酶的磷酸化，Ser473是参与Nrf2调节的细胞存活信号分子。氢的许多治疗作用可能归因于Nrf2通路的激活，包括其在减轻炎症和抑制细胞凋亡中的作用。
4.调节生物效应载体微小核糖核酸（miRNA）
miRNA被认为是氧化和炎症应激的新型调节剂，调节多种氧化还原相关基因的表达。研究表明，ROS诱发的miRNA水平异常可通过激活各种致癌基因或沉寂肿瘤抑制基因的表达而引起癌症。辐射诱发氧化应激并影响包括miRNA-1和miRNA-21在内的多种miRNA的表达。miRNA-21表达的上调与纤维化有关，也与蛋白激酶C的表达增加有关，而这又与体内组织重塑有关。经证明，H2可减弱辐射诱发的大鼠miRNA异常表达，包括miRNA-1、miRNA-9、miRNA-15b、miRNA-21和miRNA-199的表达。
