光合成は光エネルギーを生物が利用できるような化学エネルギーに変換し固定する反応系である。このために、光エネルギーを吸収する色素と光化学反応を駆動するための色素が働いている。これらの色素はタンパク質に組み込まれて、チラコイド膜に存在している。
　一般に光化学反応を引き起こすためには、反応する物質が吸収できる波長の光で、その物質を励起することが必要である。光合成では、光エネルギーによって最終的に励起されるのは、反応中心クロロフィルと呼ばれる、タンパク質によって特別な環境におかれたクロロフィルaの二量体である。光化学系Ⅱでは680 nm、光化学系Ⅰでは700 nmの光で励起されて初期電荷分離の反応が起こる。
　光合成の特徴は、反応を引き起こすために必要な光エネルギーを集める働きをする色素、すなわち光を吸収して反応中心にわたす働きを担うアンテナ色素タンパク質複合体が存在することである。これらの複合体では、色素が特別な配置で高密度に組み込まれて、幅広い波長の光を吸収し活性中心に効率よく送り込んでいる。この複合体がなければ、光合成による太陽エネルギーの利用は、地球上では成り立たたないと言われている。すべての光合成生物がそれぞれ特有のアンテナ系を発達させている。おもなアンテナ色素タンパク質複合体にはフィコビリタンパク質（ラン藻や紅藻など）・フコキサンチン-クロロフィルa/cタンパク質複合体（褐藻と珪藻）・集光性クロロフィルa/bタンパク質複合体（緑色植物）などがある。
　緑色植物のカロテノイドでは、α-カロテンに由来するルテインやシホナキサンチン・シフォナイン（ミルやヤブレグサなど深所に生える緑藻など）がアンテナ色素として働き、一方、β-カロテンは反応中心を保護するはたらきをしている。さらにβ-カロテンから合成されるビオラキサンチンはアンテナ色素タンパク質に組み込まれて、キサントフィルサイクルとよばれる機構によって過剰な光エネルギーを熱として消失させる働きを担っていることが知られている。