Pigmenții carotenoizi se găsesc în toate tipurile de plante și absorb energie și protejează împotriva daunelor cauzate de lumină pe măsură ce are loc fotosinteza. Fie de culoare roșie, fie galbenă, carotenoizii sunt vizibili atunci când clorofila, substanța care transformă lumina în energie în plante și anumite bacterii, este epuizată. Culorile în care se schimbă frunzele copacilor în toamnă se datorează expunerii pigmenților carotenoizi. Acești pigmenți au și antioxidanți, iar consumul de carotenoizi poate proteja împotriva bolilor de inimă și a cancerului la oameni și alte specii.
Din punct de vedere molecular, majoritatea carotenoidelor implicate în aceste procese au o coloană vertebrală de hidrocarburi. Între trei și 15 legături duble există de-a lungul acestei coloane vertebrale, iar numărul de legături are o relație directă cu partea din spectru pe care o poate procesa un carotenoid. Lumina între 400 și 500 de nanometri (nm) este absorbită de obicei de aceste molecule. Fitoena este primul tip produs din asamblarea diferitelor componente moleculare și este esențială în formarea altor carotenoizi. Pigmenții de bază pot fi biosintetizați în alți compuși, cum ar fi betacarotenul și licopenul.
Carotenoizii joacă un rol protector semnificativ deoarece blochează efectele particulelor de oxigen și ale radicalilor atunci când interacționează lumina și fotosensibilizatorii precum clorofila. Energia radiantă este transferată de pigmenții carotenoizi către moleculele individuale de clorofilă, în timp ce excesul de energie este disipat ca parte a ciclului xantofilei la unele plante și alge. Moleculele de clorofilă care rămân în stare activă pot fi de asemenea reglate. La nivel molecular, carotenoizii ajută la legarea moleculelor pigment-proteine fotosintetice.
Consumul de organisme pe bază de plante duce la procesarea metabolică a pigmenților carotenoizi din somon, creveți, homari și creaturi. Colorarea unor astfel de pești și crustacee provine din pigmenții găsiți în alimentele pe care le consumă. De exemplu, somonul sălbatic care mănâncă creveți are o culoare mult mai roșie decât somonul produs în ferme. Este dificil să recoltați carotenoizi în mod natural, dar ingineria genetică face perspectiva mai optimistă. Pigmenții sintetizați chimic nu dau același rezultat ca cei naturali.
Există diferite tipuri de carotenoide în plante, bacterii, ciuperci și alge. Fitoena este o formă de pigment care poate fi metabolizată în beta caroten care, împreună cu alți compuși, este folosit pentru a produce vitamina A, precum și lichid retinian la mamifere. Proprietățile fotosintetice și impactul asupra sănătății umane fac din pigmenții carotenoizi unul dintre cele mai importante elemente biologice din natură.