叶绿体中具有叶绿素酸酯结构的有机色素。叶绿素是重要的光合色素，光能只有通过叶绿素才能启动光化学反应。叶绿素有叶绿素a、叶绿素b、叶绿素c₁、叶绿素c₂和叶绿素d五种。高等植物的叶绿素是叶绿素a和叶绿素b。

叶绿素尤其是叶绿素a在各类光合植物中分布最广。卟啉环是各种叶绿素的共同基本结构，这个大环由四个吡咯环组成。有一整套共轭双键，也就是一个大π键，卟啉环中央是一个镁原子。它与四个氮原子的距离相等。叶绿素的颜色正是由卟啉环中的π电子和镁原子决定的。由于连接在环上的一些基团不同形成了各种不同的叶绿素（图1）。

图1 叶绿素的结构

叶绿素

叶绿素a、b和d都是一个双羧酸的酯。一个羧基为甲醇所酯化，另一个羧基为叶醇基所酯化。叶绿素c₁和c₂的一个羧基未被酯化，另一羧基同样为甲醇所酯化。所以叶绿素可以发生皂化反应。叶绿素的卟啉环是亲水的，但其上所带的叶醇基是亲脂的。叶醇是一个由四个异戊二烯单位所组成的双萜，是一个亲脂的脂肪链。它决定了叶绿素分子的脂溶性。卟啉环中的镁原子可为H⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等离子所取代，当Mg被Cu或Zn取代后，仍可保持绿色，所以用醋酸铜溶液处理绿色的新鲜植物即可把颜色保存下来。叶绿素具有酯类性质、不溶于水而溶于酒精、丙酮、乙醚、乙烷等有机溶剂。

叶绿素能够吸收可见光，不同波长的光被吸收的强度不同。图2是叶绿素在乙醚中的吸收光谱。蓝紫光区域内的吸收峰为所有的卟啉化合物所共有，只有红光区域中的吸收高峰为叶绿素所特有。叶绿素在不同溶剂中，其吸收峰略有不同。如在乙醚中，叶绿素a、b在红光区的吸收峰分别为660和643nm，而在丙酮中则为663和645nm。进一步研究证明，存在于活细胞中的叶绿素其吸收峰也不同于提取在溶剂中的叶绿素，并且已经发现活体内的叶绿素a，按其吸收峰的不同至少有六种形式，即a₇₀₀、a₆₉₂、a₆₈₄、a₆₆₇、a₈₇₀和a₆₀₂，它们在体内的数量也显者不同。叶绿素b也发现至少有两种形式，即b₆₅₀和b₆₄₀，叶绿素c₂在活体内只有单个吸收峰663nm。

图2 叶绿素在乙醚中的吸收光谱

在高等植物叶绿体中，叶绿素有组织地与蛋白质等物质结合成色素一蛋白复合体。研究表明，叶绿素和其他光合色素一起组织成二个色素系统，即光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）。光合作用中的两个光化学反应（光反应Ⅰ和光反应Ⅱ）即分别通过PSⅠ和PSⅡ进行的。光反应Ⅰ和高能物质形成相联系，光反应Ⅱ和光合放氧相联系。在PSⅠ中，叶绿素a₇₀₀是作用中心色素分子，每个叶绿素a₇₀₀和周围包含约200个左右的天线叶绿素分子以及50个左右类胡萝卜素分子（主要是胡萝卜素）组成一个光合单位。一个PSⅠ颗粒往往含有几个这样的光合单位。在PSⅡ中，作用中心的色素分子是叶绿素a₆₈₀（在某些植物中为a₆₉₀），每个a₆₈₀周围也包含有200个左右天线叶绿素分子和50个左右类胡萝卜素分子（主要是叶黄素）。作用中心色素分子能利用所获得的光能启动光化学反应。其他色素分子则起着吸收和传递光能的作用。

也有些研究认为，高等植物和绿藻的叶绿素b和叶黄素不存在于PSⅡ中，它们另外组成“聚光色素蛋白复合体”（LHCP），将捕获的光能传递给PSⅠ和PSⅡ。

PSⅠ和PSⅡ的定位还不十分清楚，但它们主要存在于叶绿体类囊体膜上，PSⅠ颗粒在间质类囊体膜上分布较多，在基粒类囊体膜上，PSⅠ和PSⅡ均有分布。

叶绿素的合成是在前质体或叶绿体中进行的。它是一个极其复杂的过程，目前认为包括如下一些步骤。

δ-氨基-γ酮戊酸（ALA）的形成

ALA是形成吡咯环的原料，在高等植物中它通过如下途径合成。

（A=谷氨酸-1-磷酸转移酶；B=谷氨酸-1-半醛；NADP⁺=氧化还原酶；C=谷氨酸-1-半醛氨基转移酶）

胆色素原（吡咯环）的形成

两分子ALA在胆色素原合成酶（ALA脱水酶）作用下，经脱水形成一分子胆色素原。

尿卟啉原Ⅲ的形成

由四个胆色素原相互连接而形成具有四个吡咯环的尿卟啉原Ⅲ。

已知只有在尿卟啉原Ⅰ合成酶和尿卟啉原Ⅲ合成酶同时存在下，才能完成尿卟啉原Ⅲ。合成过程从A环开始，由A→A-B→A-B-C→A-B-C-D。

原卟啉Ⅸ的形成

原卟啉Ⅲ是一个含有八个羧基的化合物，它在尿卟啉原脱羧酶的作用下，脱去六分子CO₂，形成只具有两个羧酸的原卟啉Ⅸ。

在原卟啉Ⅸ中参加Mg²⁺，即形成Mg原卟啉Ⅸ。

原叶绿素酸酯的形成

在上述过程中，Mg原卟啉Ⅸ的一个羧基被甲基所酯化，然后形成环Ⅴ，即为原叶绿素酸酯。

从原叶绿素酸酯形成叶绿素

首先由原叶绿素酸酯经光还原形成叶绿素酸酯a。这一过程是一种“色素-蛋白复合体”（原叶绿素酸酯全色素）上进行的。由NADPH提供H。反应发生在卟啉环的环Ⅳ上。

最后是在叶绿素酸酯a上进行叶醇酯化反应形成叶绿素a。

在有些情况下，也可以由叶醇基酯化先形成原叶绿素a，然后经光还原形成叶绿素a。叶绿素b则是由叶绿素a氧化而形成的。