Chlorofil i karotenoidy to zarówno pigmenty, czyli chromofory, które biorą udział w fotosyntezie. Zarówno chlorofil, jak i karotenoidy są odpowiedzialne za zbieranie światła, absorbowanie fotonów i przekazywanie energii wzbudzenia do fotosyntetycznego centrum reakcji. Jednak tylko chlorofil działa w centrum reakcyjnym, dokonując rozdziału ładunku przez błonę komórkową. To chlorofil uruchamia serię reakcji przeniesienia elektronów, które ostatecznie redukują dwutlenek węgla (CO2) do węglowodanów.
Z nazwą oznaczającą „zielony liść” w języku greckim, chlorofil został po raz pierwszy zidentyfikowany w 1818 roku przez Pierre’a Josepha Pelletiera i Josepha Bienaime Caventou. Chlorofil jest dobrze znany ze swojego zielonego wyglądu i tego, że jest najobficiej występującym pigmentem fotosyntetycznym na Ziemi. Od czasu jego pierwotnego odkrycia odkryto dziesiątki rodzajów cząsteczek chlorofilu. Pod względem molekularnym wszystkie są cyklicznymi tetrapirolami i zwykle zawierają centralny jon magnezu. Struktura chemiczna chlorofilu może łatwo zyskać lub stracić elektrony, co pozwala mu absorbować fotony i przenosić energię wzbudzenia do i wewnątrz fotosyntetycznego centrum reakcji.
Chlorofil i karotenoidy są pigmentami zbierającymi światło, ale chlorofil jest najliczniejszym i najbardziej krytycznym dla fotosyntezy. Różne typy chlorofilów, działające w połączeniu, są w stanie pochłaniać światło w większości widma fotosyntezy, od 330-1,050 nanometrów. Jedynym wyjątkiem jest tak zwana „zielona luka”, około 500 nanometrów. Do wypełnienia tej luki absorpcyjnej wymagane są dodatkowe pigmenty.
Drugie ograniczenie chlorofilów wynika z samej cechy, która czyni je tak silnymi pigmentami w układzie fotosyntezy: ich zdolności do utrzymywania długotrwałych stanów wzbudzonych. Zdolność ta prowadzi jednak również do tendencji do generowania toksycznych reaktywnych form tlenu. Ponownie, dodatkowe pigmenty, w szczególności karotenoidy, mogą pomóc w rozwiązaniu tego problemu.
Karotenoidy to chromofory, które zwykle mają kolor czerwony, pomarańczowy lub żółty. Najbardziej znanym karotenoidem jest prawdopodobnie karoten, który nadaje marchwiom pomarańczowy kolor. Karotenoidy pełnią dwie główne funkcje: zbieranie energii świetlnej do fotosyntezy i ochrona chlorofilu przed uszkodzeniem przez światło.
Ze względu na swoją podstawową funkcję karotenoidy pochłaniają energię świetlną z fotonów. Wraz z biliproteinami pomagają absorbować energię w „zielonej szczelinie” w pobliżu 500 nanometrów. Nie są w stanie przenieść tej energii bezpośrednio na ścieżkę fotosyntezy w centrum reakcji. Zamiast tego przekazują energię wzbudzenia bezpośrednio do cząsteczek chlorofilu, które następnie przekazują energię do centrów reakcji i na szlak fotosyntezy. Karotenoidy są zatem znane jako pigmenty pomocnicze, a chlorofil i karotenoidy razem tworzą antenę do zbierania światła w komórkach.
Być może najważniejszą funkcją karotenoidów jest ochrona chlorofilu i otaczającej komórki przed uszkodzeniem przez światło. Chlorofile często wytwarzają toksyczne reaktywne formy tlenu, które powodują różnorodne uszkodzenia komórek i są szczególnie podatne na generowanie takich wolnych rodników w warunkach silnego oświetlenia. Karotenoidy są w stanie pochłaniać nadmiar światła, odwracając je od chlorofilu. W przeciwieństwie do chlorofilu, karotenoidy mogą nieszkodliwie przekształcać nadmiar energii wzbudzenia w ciepło.