Пигменты хлоропластов объединены в функциональные комплексы — пигментные системы, в которых реакционный центр - хлорофилл а, осуществляющий фотосенсибилизацию, связан процессами переноса энергии с антенной, состоящей из светособирающих пигментов. Современная схема фотосинтеза высших растений включает две фотохимические реакции, осуществляемые с участием двух различных фотосистем. Предположение об их существовании было высказано Р. Эмерсоном в 1957 г.
Установлено, что фотосистема II (ФСII) поглощает более коротковолновые лучи по сравнению с ФСI. Фотосинтез идет эффективно только при их совместном функционировании.
В состав ФСI в качестве реакционного центра входит димер хлорофилла а с максимумом поглощения света 700 нм (Р700), а также хлорофиллы а675-695, играющие роль антенного компонента. Первичным акцептором электронов в этой системе является мономерная форма хлорофилла а695, вторичными акцепторами - железосерные белки (FeS). Комплекс ФСI под действием света восстанавливает железосодержащий белок — ферредоксин (Фд) и окисляет медьсодержащий белок — пластоцианин (Пц).
ФСII включает реакционный центр, содержащий хлорофилл а (Р680) и антенные пигменты — хлорофиллы а670-683. Первичным акцептором электронов является феофитин (Фф), передающий электроны на пластохинон. В состав ФСII входит также белковый комплекс S-системы, окисляющий воду, и переносчик электронов Z. Этот комплекс функционирует с участием марганца, хлора и магния. ФСII восстанавливает пластохинон (PQ) и окисляет воду с выделением О2 и протонов.
Связующим звеном между ФСII и ФСI служат фонд пластохинонов, белковый цитохромный комплекс (b6 и f) и пластоцианин.
В хлоропластах растений на каждый реакционный центр приходится примерно 300 молекул пигментов, которые входят в состав антенных или светособирающих комплексов. Из ламелл хлоропластов выделен светособирающий белковый комплекс, содержащий хлорофиллы а и b и каротиноиды (ССК), тесно связанный с ФСII, и антенные комплексы, непосредственно входящие в состав ФСI и ФСII (фокусирующие антенные компоненты фотосистем). Половина белка тилакоидов и около 60 % хлорофилла локализованы в ССК. В каждом ССК содержится от 120 до 240 молекул хлорофилла.
Антенный белковый комплекс ФСI содержит 110 молекул хлорофиллов а680-695 на один P700, из них 60 молекул — компоненты антенного комплекса, который можно рассматривать как ССК ФСI. Антенный комплекс ФСI также содержит β-каротин.
Антенный белковый комплекс ФСII содержит 40 молекул хлорофиллов а с максимумом поглощения 670—683 нм на один Р680 и β-каротин.
Хромопротеины антенных комплексов не обладают фотохимической активностью. Их роль состоит в поглощении и передаче энергии квантов на небольшое количество молекул реакционных центров‚ каждая из которых связана с цепью транспорта электронов и осуществляет фотохимическую реакцию. Организация электронно-транспортных цепей (ЭТЦ) при всех молекулах хлорофилла нерациональна, так как даже на прямом солнечном свету на молекулу пигмента кванты света попадают не чаще одного раза за 0,1 с.
Передача энергии в светособирающих комплексах и фотосистемах происходит путем индуктивного резонанса. Условиями для резонансного переноса энергии служат сближенное расположение и перекрытие частот осциллирующих электронных систем у двух взаимодействующих молекул. Причем миграция энергии осуществляется от коротковолновых пигментов к более длинноволновым. Квант света мигрирует в фотосистеме, пока не попадет в стоковую молекулу (ловушку) — пигмент реакционного центра, который является самым длинноволновым и поэтому неспособным возбуждать соседние молекулы. Энергия возбужденного пигмента реакционного центра расходуется на фотохимическую работу. Квант света обычно передается на стоковую молекулу через несколько сотен передач, каждая передача осуществляется за 10-12 с. Экспериментально установлено, что 90 % энергии возбуждения хлорофилла а может быть передано на Р700 менее чем за 10-9 с.