Η χλωροφύλλη και τα καροτενοειδή είναι και οι δύο χρωστικές, ή χρωμοφόρα, που εμπλέκονται στη φωτοσύνθεση. Τόσο η χλωροφύλλη όσο και τα καροτενοειδή είναι υπεύθυνα για τη συλλογή φωτός, την απορρόφηση φωτονίων και τη μεταφορά της ενέργειας διέγερσης στο κέντρο φωτοσυνθετικής αντίδρασης. Ωστόσο, μόνο η χλωροφύλλη λειτουργεί εντός του κέντρου αντίδρασης για να πραγματοποιήσει διαχωρισμό φορτίου κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Είναι η χλωροφύλλη που προκαλεί μια σειρά αντιδράσεων μεταφοράς ηλεκτρονίων που τελικά μειώνει το διοξείδιο του άνθρακα (CO2) σε υδατάνθρακες.
Με ένα όνομα που σημαίνει “πράσινο φύλλο” στα ελληνικά, η χλωροφύλλη εντοπίστηκε για πρώτη φορά το 1818 από τους Pierre Joseph Pelletier και Joseph Bienaime Caventou. Η χλωροφύλλη είναι γνωστή για την πράσινη εμφάνισή της και ότι είναι η πιο άφθονη φωτοσυνθετική χρωστική ουσία στη Γη. Από την αρχική του ανακάλυψη, έχουν ανακαλυφθεί δεκάδες τύποι μορίων χλωροφύλλης. Μοριακά, είναι όλα κυκλικά τετραπυρόλια και συνήθως περιέχουν ένα κεντρικό ιόν μαγνησίου. Η χημική δομή της χλωροφύλλης έχει τη δυνατότητα να κερδίσει ή να χάσει ηλεκτρόνια εύκολα, πράγμα που της επιτρέπει να απορροφήσει φωτόνια και να μεταφέρει την ενέργεια διέγερσης στο και εντός του φωτοσυνθετικού κέντρου αντίδρασης.
Η χλωροφύλλη και τα καροτενοειδή είναι χρωστικές που συλλέγουν φως, αλλά η χλωροφύλλη είναι η πιο άφθονη και η πιο κρίσιμη για τη φωτοσύνθεση. Οι διαφορετικοί τύποι χλωροφύλλης, που λειτουργούν σε συνδυασμό, είναι σε θέση να απορροφήσουν φως σε μεγάλο μέρος του φωτοσυνθετικού φάσματος, από 330-1,050 νανόμετρα. Μια εξαίρεση είναι αυτό που ονομάζεται «πράσινο κενό», περίπου 500 νανόμετρα. Απαιτούνται πρόσθετες χρωστικές για να καλύψουν αυτό το κενό απορρόφησης.
Ένας δεύτερος περιορισμός των χλωροφύλλης προκύπτει από το πολύ χαρακτηριστικό που τις καθιστά τόσο ισχυρές χρωστικές στο φωτοσυνθετικό σύστημα: την ικανότητά τους να διατηρούν μακροχρόνια διεγερμένες καταστάσεις. Αυτή η ικανότητα, ωστόσο, οδηγεί επίσης σε μια τάση δημιουργίας τοξικών αντιδραστικών ειδών οξυγόνου. Και πάλι, οι βοηθητικές χρωστικές, ιδίως τα καροτενοειδή, είναι σε θέση να βοηθήσουν στην επίλυση αυτού του προβλήματος.
Τα καροτενοειδή είναι χρωμοφόρα που έχουν συνήθως κόκκινο, πορτοκαλί ή κίτρινο χρώμα. Το πιο γνωστό καροτενοειδές είναι πιθανώς η καροτίνη, η οποία δίνει στα καρότα το πορτοκαλί χρώμα τους. Τα καροτενοειδή έχουν δύο κύριες λειτουργίες: τη συλλογή φωτεινής ενέργειας για τη φωτοσύνθεση και την προστασία της χλωροφύλλης από το φως.
Για την κύρια λειτουργία τους, τα καροτενοειδή απορροφούν την ενέργεια του φωτός από τα φωτόνια. Μαζί με τις διπρωτεΐνες, βοηθούν στην απορρόφηση ενέργειας στο «πράσινο κενό» κοντά στα 500 νανόμετρα. Δεν είναι σε θέση να μεταφέρουν αυτήν την ενέργεια απευθείας στη φωτοσυνθετική οδό στο κέντρο αντίδρασης. Αντίθετα, μεταφέρουν την ενέργεια διέγερσης απευθείας στα μόρια της χλωροφύλλης, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρουν την ενέργεια στα κέντρα αντίδρασης και στη φωτοσυνθετική οδό. Τα καροτενοειδή είναι επομένως γνωστά ως βοηθητικές χρωστικές, και η χλωροφύλλη και τα καροτενοειδή συνθέτουν μαζί την κεραία συλλογής φωτός στα κύτταρα.
Perhapsσως η πιο σημαντική λειτουργία των καροτενοειδών είναι η προστασία της χλωροφύλλης και του περιβάλλοντος κυττάρου από τη φθορά του φωτός. Οι χλωροφύλλες συχνά δημιουργούν τοξικά αντιδραστικά είδη οξυγόνου, τα οποία προκαλούν ποικίλες κυτταρικές βλάβες και είναι ιδιαίτερα επιρρεπή στη δημιουργία τέτοιων ελεύθερων ριζών υπό συνθήκες υψηλού φωτισμού. Τα καροτενοειδή είναι σε θέση να απορροφήσουν το υπερβολικό φως, εκτρέποντάς το από τη χλωροφύλλη. Σε αντίθεση με τη χλωροφύλλη, τα καροτενοειδή μπορούν ακίνδυνα να μετατρέψουν την υπερβολική ενέργεια διέγερσης σε θερμότητα.