Struktur kloroplas sangat kompleks. Struktur kloroplas yang kompleks seperti itu berkaitan dengan fungsinya dalam proses fotosintesis. Setiap kloroplas terbungkus oleh sistem membran ganda (rangkap) yang mengatur lalu lintas molekul keluar masuk kloroplas, yang sifatnya diferensial permeabel. Didalam kloroplas terdapat bahan yang bersifat amorf, lir– gel (serupa gel), dan kaya enzim yang disebut stroma, yang mengandung berbagai enzim yang mengubah CO2 menjadi karbohidrat, khususnya pati.
Di dalam stroma terdapat tilakoid (bhs yunani thylacos = kantong), yang mengandung pigmen. Di sinilah energi dari cahaya digunakan untuk mengoksidasi H2O, membentuk ATP dan NADPH yang kaya energi, yang diperlukan oleh stroma untuk mengubah CO2 menjadi karbohidrat.
Di dalam cairan kloroplas (stroma/matrik) terdapat lembaran-lembaran rangkap yang disebut tilakoid. Tilakoid membentuk semacam cakram membatasi lumen tilakoid. Cakram-cakram ini bertumpuk-tumpuk membentuk granum.
Membran tilakoid yang menghubungkan grana dinamakan lamela stroma. Tilakoid sendiri berdasarkan strukturnya dibedakan lagi menjadi tilakoid pinggir, daerah tengah dan tilakoid stroma. Tilakoid stroma sering menjadi bagian dari satu grana atau lebih, dan pada tempat tersebut tidak terlihat perbedaan yang nyata antara tilakoid stroma dengan tilakoid grana.
Di antara membran dari tiap tilakoid terdapat rongga yang disebut lumen. Dalam lumen ini terdapat air dan garam terlarut yang berperan khusus dalam fotosintesis. Reaksi terang berlangsung pada grana, sedang reaksi gelap (fiksasi CO2) berlangsung di stroma.
Pigmen Kloroplas
Pigmen yang paling banyak terdapat dalam kloroplas (pada membran tilakoid) adalah klorofil. Ada banyak jenis klorofil (a,b,c,d dan e), tergantung dari rantai simpang yang mengikat inti parfirin pada molekulnya. Namun pigmen klorofil yang terbanyak pada tumbuhan tinggi adalah klorofil a dan b yang mempunyai ”action spectrum” yang berbeda. Selain klorofil, dalam kloroplas juga terdapat karotenoid yang merupakan derifat likopen dalam bentuk karoten (merah jingga) dan xantofil (kuning).
Fungsi karotenoid adalah (1) melindungi klorofil dari fotooksidasi pada penyinaran yang terlalu kuat; dan (2) membantu klorofil menangkap dan mentransfer cahaya. Menurut Wolken dan Calvin, klorofil bersifat bipolar artinya sebagian porifin bersifat hidropob (takut air) dan bagian ekornya lifofil (cinta lipoid).
Di dalam kloroplas, pigmen berkelompok membentuk satuan-satuan yang membentuk fotosistem. Tiap kloroplas selalu mempunyai dua macam fotosistem yang bekerja sama dalam menagkap energi cahaya. Satuan terkecil kelompok molekul pigmen yang bekerja sama dalam penangkapan energi cahaya sehingga dihasilkan efek fotokimia dinamakan unit fotosintetik. Efek fotokimia yang dimaksud adalah penangkapan kuantum cahaya oleh molekul-molekul pigmen dan diteruskan pada satu pusat penangkapan sehingga pusat ini mampu melepaskan
elektron.
Pigmen pengumpul cahaya itu tiap unit fotosintetik kira-kira 400 molekul klorofil yang tersusun secara padat dalam grana, kadang-kadang dinamakan antena klorofil. Dari dua fotosistem dalam kloroplas yaitu fotosistem I dan II, fotosistem I terutama terdiri dari klorofil a, sedikit klorofil b dan karotenoid dengan penangkapan P-700, yaitu molekul klorofil a yang mempunyai penyerapan cahaya maksimum 703 nm (nano meter).
Sedangkan fotosistem II mengandung lebih banyak klorofil b dengan pusat penagkapan P-680, yaitu molekul klorofil a yang mempeunyai penyerapan cahaya maksimum 682 nm. Elektron yang terlepas dereksitasi dari molekul pusat penagkapan energi (P-700 atau P-680) akan menyebabkan terjadinya transport elektron.
Dalam perjalanannya ke keadaan semula (ground state) elektron ini melalui sejumlah senyawa sambil melepaskan energi yang digunakan untuk membentuk ATP atau NADP. Proses inilah yang disebut fosforilasi fotosintetik. Sedang ATP dan NADP yang terbentuk disebut tenaga asimilasi.
