⑴促进ROS产生：细胞内Ca²⁺增多促使XD转变XO，使ROS产生增多。
⑵激活钙依赖性生物酶：钙超载可激活很多钙依赖性生物酶，导致细胞结构受损，甚至细胞死亡。如
①ATP水解酶：使ATP减少。
②磷脂酶：造成细胞膜及细胞器膜结构受损。
③激活降解酶和钙蛋白酶：促进细胞膜和细胞骨架结构蛋白的分解，使细胞肌纤维挛缩和断裂。
④核酸内切酶：促进核酸分解，染色体的损伤，引发细胞凋亡。
⑶线粒体功能障碍：线粒体的渗透性钙转运孔道（mPTP）在钙超载中发挥重要作用。缺血时的代谢性酸中毒会抑制mPTP开放，而再灌注时pH恢复，Ca²⁺浓度升高及ROS产生激活了mPTP开放，Ca²⁺进入线粒体钙超载，Ca²⁺与含磷酸根的化合物结合，形成不溶性磷酸钙，干扰线粒体的氧化磷酸化，ATP生成减少。同时，在缺血再灌注早期，聚集在细胞内的Ca²⁺被肌浆网、线粒体摄取过程中消耗大量ATP，使细胞总能量供应下降，线粒体、细胞离子稳态破坏，引起线粒体细胞肿胀、坏死。
⑷形成暂时内向电流： Na⁺/Ca²⁺交换形成的暂时内向电流，引起心律失常。
总之，钙超载既是缺血一再灌注损伤的机制，又是缺血再灌注损伤的结果，也是导致细胞死亡的主要的病理过程。