La clorofila y los carotenoides son pigmentos o cromóforos que participan en la fotosíntesis. Tanto la clorofila como los carotenoides son responsables de recolectar luz, absorber fotones y transferir la energía de excitación al centro de reacción fotosintética. Sin embargo, solo la clorofila funciona dentro del centro de reacción para realizar la separación de carga a través de la membrana celular. Es la clorofila que desencadena una serie de reacciones de transferencia de electrones que eventualmente reducen el dióxido de carbono (CO2) a carbohidratos.
Con un nombre que significa «hoja verde» en griego, la clorofila fue identificada por primera vez en 1818 por Pierre Joseph Pelletier y Joseph Bienaime Caventou. La clorofila es conocida por su apariencia verde y por ser el pigmento fotosintético más abundante en la Tierra. Desde su descubrimiento original, se han descubierto docenas de tipos de moléculas de clorofila. Molecularmente, todos son tetrapirrol cíclicos y generalmente contienen un ion de magnesio central. La estructura química de la clorofila tiene el potencial de ganar o perder electrones fácilmente, que es lo que le permite absorber fotones y transferir la energía de excitación hacia y dentro del centro de reacción fotosintética.
La clorofila y los carotenoides son pigmentos de recolección de luz, pero la clorofila es la más abundante y la más crítica para la fotosíntesis. Los diferentes tipos de clorofilas, que trabajan en combinación, son capaces de absorber la luz en gran parte del espectro fotosintético, de 330-1,050 nanómetros. Una excepción es lo que se llama la «brecha verde», alrededor de 500 nanómetros. Se requieren pigmentos accesorios para llenar este vacío de absorción.
Una segunda limitación de las clorofilas surge de la característica que los convierte en pigmentos tan poderosos en el sistema fotosintético: su capacidad para mantener estados excitados de larga duración. Sin embargo, esa capacidad también conduce a una tendencia a generar especies tóxicas de oxígeno reactivo. Una vez más, los pigmentos accesorios, en particular los carotenoides, pueden ayudar a resolver este problema.
Los carotenoides son cromóforos que generalmente son de color rojo, naranja o amarillo. El carotenoide más conocido es probablemente el caroteno, que le da a las zanahorias su color naranja. Los carotenoides tienen dos funciones principales: recolectar energía de la luz para la fotosíntesis y proteger la clorofila del daño causado por la luz.
Para su función principal, los carotenoides absorben la energía de la luz de los fotones. Junto con las biliproteínas, ayudan a absorber energía en la «brecha verde» cerca de 500 nanómetros. No pueden transferir esta energía directamente a la ruta fotosintética en el centro de reacción. Más bien, transfieren la energía de excitación directamente a las moléculas de clorofila, que luego transfieren la energía a los centros de reacción y a la ruta fotosintética. Los carotenoides se conocen como pigmentos accesorios, y la clorofila y los carotenoides juntos forman la antena de captación de luz dentro de las células.
Quizás la función más importante de los carotenoides es proteger la clorofila y la célula circundante del daño de la luz. Las clorofilas a menudo generan especies tóxicas de oxígeno reactivo, que causan diversos daños celulares, y son particularmente propensas a generar tales radicales libres en condiciones de mucha luz. Los carotenoides pueden absorber el exceso de luz, desviándola de la clorofila. A diferencia de la clorofila, los carotenoides pueden convertir inofensivamente el exceso de energía de excitación en calor.