Chlorophyll und Carotinoide sind beides Pigmente oder Chromophore, die an der Photosynthese beteiligt sind. Sowohl Chlorophyll als auch Carotinoide sind dafür verantwortlich, Licht zu sammeln, Photonen zu absorbieren und die Anregungsenergie an das photosynthetische Reaktionszentrum zu übertragen. Nur Chlorophyll funktioniert jedoch innerhalb des Reaktionszentrums, um eine Ladungstrennung über die Zellmembran hinweg durchzuführen. Es ist Chlorophyll, das eine Reihe von Elektronenübertragungsreaktionen auslöst, die schließlich Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenhydraten reduzieren.
Chlorophyll, dessen Name auf Griechisch „grünes Blatt“ bedeutet, wurde erstmals 1818 von Pierre Joseph Pelletier und Joseph Bienaime Caventou identifiziert. Chlorophyll ist bekannt für sein grünes Aussehen und dafür, dass es das am häufigsten vorkommende photosynthetische Pigment auf der Erde ist. Seit seiner ursprünglichen Entdeckung wurden Dutzende von Arten von Chlorophyllmolekülen entdeckt. Molekular sind sie alle cyclische Tetrapyrrole und enthalten meist ein zentrales Magnesiumion. Die chemische Struktur von Chlorophyll hat das Potenzial, leicht Elektronen aufzunehmen oder zu verlieren, wodurch es Photonen absorbieren und die Anregungsenergie zum und innerhalb des photosynthetischen Reaktionszentrums übertragen kann.
Chlorophyll und Carotinoide sind beides lichtsammelnde Pigmente, aber Chlorophyll ist das am häufigsten vorkommende und für die Photosynthese am kritischsten. Die verschiedenen Arten von Chlorophyllen, die in Kombination arbeiten, sind in der Lage, Licht über einen Großteil des photosynthetischen Spektrums von 330 bis 1,050 Nanometern zu absorbieren. Eine Ausnahme bildet die sogenannte „Green Gap“, etwa 500 Nanometer. Um diese Absorptionslücke zu füllen, sind Zusatzpigmente erforderlich.
Eine zweite Einschränkung der Chlorophylle ergibt sich aus der Eigenschaft, die sie zu so starken Pigmenten im Photosynthesesystem macht: ihrer Fähigkeit, langlebige angeregte Zustände aufrechtzuerhalten. Diese Fähigkeit führt jedoch auch zu einer Tendenz, toxische reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen. Auch hier können akzessorische Pigmente, insbesondere Carotinoide, helfen, dieses Problem zu lösen.
Carotinoide sind Chromophore, die normalerweise rot, orange oder gelb gefärbt sind. Das bekannteste Carotinoid ist wohl Carotin, das Karotten ihre orange Farbe verleiht. Carotinoide haben zwei Hauptfunktionen: die Gewinnung von Lichtenergie für die Photosynthese und den Schutz des Chlorophylls vor Lichtschäden.
Carotinoide absorbieren für ihre Hauptfunktion Lichtenergie von Photonen. Zusammen mit Biliproteinen helfen sie, Energie in der „grünen Lücke“ in der Nähe von 500 Nanometern zu absorbieren. Sie sind nicht in der Lage, diese Energie direkt in den Photosyntheseweg im Reaktionszentrum zu übertragen. Vielmehr übertragen sie die Anregungsenergie direkt auf Chlorophyllmoleküle, die die Energie dann an Reaktionszentren und in den Photosyntheseweg weiterleiten. Carotinoide werden daher als akzessorische Pigmente bezeichnet, und Chlorophyll und Carotinoide bilden zusammen die lichtsammelnde Antenne in den Zellen.
Die vielleicht wichtigste Funktion von Carotinoiden besteht darin, Chlorophyll und die umgebende Zelle vor Lichtschäden zu schützen. Chlorophylle erzeugen oft toxische reaktive Sauerstoffspezies, die verschiedene Zellschäden verursachen, und sie sind besonders anfällig dafür, solche freien Radikale unter starken Lichtbedingungen zu erzeugen. Carotinoide sind in der Lage, überschüssiges Licht zu absorbieren und es von Chlorophyll abzulenken. Im Gegensatz zu Chlorophyll können Carotinoide überschüssige Anregungsenergie harmlos in Wärme umwandeln.