Carotenoidele aparțin clasei terpenoidelor de compuși organici, în special tetraterpenoidele. Sunt substanțe fitochimice, care apar aproape exclusiv în plante și sunt împărțite în două categorii: caroteni fără oxigen și xantofile care conțin oxigen. Terpenoizii pot fi obținuți, cel puțin teoretic, prin legarea împreună sau „polimerizarea” moleculelor de izopren, CH2=C(CH3)CH=CH2. Scheletele tetraterpenoide conțin patru unități terpenice de 10 atomi de carbon pentru un total de 40 de atomi de carbon. Îngustând definiția, Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată se referă la structura carotenoidelor ca fiind acele tetraterpenoide derivate formal din licopenul părinte aciclic.
În structura carotenoizilor există exact 40 de atomi de carbon scheletici, teoretic derivabili prin legarea unităților izoprene și alcătuiți doar din carbon, hidrogen și eventual oxigen. Structura carotenoizilor include, de asemenea, o componentă numită cromofor, care este responsabilă de culoarea moleculei. Acești compuși organici sunt importanți din punct de vedere biologic și nutrițional și sunt indisolubil asociați cu procesul de susținere a vieții al fotosintezei.
Polimerizarea este posibilă deoarece izoprenul posedă două legături duble. Fiecare moleculă de izopren are cinci atomi de carbon, astfel încât combinarea a două molecule are ca rezultat un singur lanț de 10 atomi de carbon. Creșterea poate continua dincolo de această lungime, deoarece a doua dublă legătură pentru fiecare moleculă participantă rămâne nefolosită. Există o mare varietate de structuri terpenoide care se pot forma, deoarece molecula de izopren nu este simetrică. Alăturarea poate avea loc cap la cap, cap la coadă sau coadă la coadă; cu cât lanțul este mai lung, cu atât este mai mare numărul de combinații.
Carotenoizii se numără printre alimentele benefice din punct de vedere nutrițional găsite în fructe și legume. Printre nutrienți se numără luteina, zeaxantina și licopenul. Majoritatea carotenoidelor posedă proprietăți antioxidante. Unele, inclusiv alfa- și beta-carotenul și beta-criptoxantina, pot fi transformate de organism într-un retinol similar structural, vitamina A. Culorile strălucitoare ale legumelor, în special galbenul porumbului, portocaliul morcovului și roșul roșiilor. , există din cauza carotenoizilor.
Porțiunea din moleculă care produce culorile găsite în structura carotenoidelor este cromoforul, care înseamnă „purtător de culoare”. Este în mare măsură determinată de colecția neîntreruptă de duble legături alternante găsite în moleculă. Această colecție de electroni pi absoarbe energie care coincide cu o parte a spectrului vizibil. Ceea ce rămâne prin intermediul culorilor neabsorbite determină culoarea fructului sau a legumei. Astfel, o legumă galbenă absoarbe lumina în special în partea albastră a spectrului.
Carotenoizii se găsesc în cloroplastele și cromoplastele plantelor. Ele îndeplinesc două funcții specifice. Ambii compuși absorb lumina care poate fi utilizată în procesul de fotosinteză prin transfer de energie și servesc la protejarea moleculelor delicate de clorofilă de expunerea la lumina ultravioletă dăunătoare. Toamna în unele părți ale lumii, pe măsură ce cantitatea de clorofilă scade, carotenoizii se dezvăluie adesea în culorile frumoase ale multor plante care se schimbă odată cu anotimpurile. Produșii de descompunere ai multor carotenoizi conferă arome plăcute; unii dintre astfel de compuși sunt utilizați în industria de esențe, parfumuri și arome.