Karotenoidi spadajo v razred terpenoidov organskih spojin, natančneje tetraterpenoidov. So fitokemikalije, ki se pojavljajo skoraj izključno v rastlinah in so razdeljene v dve kategoriji: karoteni brez kisika in ksantofili, ki vsebujejo kisik. Terpenoide je mogoče pridobiti, vsaj teoretično, s povezovanjem ali “polimerizacijo” molekul izoprena, CH2=C(CH3)CH=CH2. Tetraterpenoidni skeleti vsebujejo štiri terpenske enote z 10 ogljiki za skupno 40 atomov ogljika. Če zožimo definicijo, se Mednarodna zveza za čisto in uporabno kemijo sklicuje na strukturo karotenoidov kot tistih tetraterpenoidov, ki so formalno izpeljani iz acikličnega matičnega likopena.
V strukturi karotenoidov je natanko 40 skeletnih ogljikov, ki jih teoretično izpeljemo s povezovanjem izoprenskih enot in so sestavljeni samo iz ogljika, vodika in morda kisika. Struktura karotenoidov vključuje tudi komponento, imenovano kromofor, ki je odgovorna za barvo molekule. Te organske spojine so biološko in prehransko pomembne in so neločljivo povezane s procesom fotosinteze, ki vzdržuje življenje.
Polimerizacija je možna, ker ima izopren dve dvojni vezi. Vsaka molekula izoprena ima pet ogljikovih atomov, tako da kombinacija dveh molekul povzroči eno samo verigo z 10 atomi ogljika. Rast se lahko nadaljuje preko te dolžine, ker druga dvojna vez za vsako sodelujočo molekulo ostane neuporabljena. Obstaja veliko različnih terpenoidnih struktur, ki se lahko tvorijo, ker molekula izoprena ni simetrična. Združevanje lahko poteka od glave do glave, od glave do repa ali od repa do repa; daljša kot je veriga, večje je število kombinacij.
Karotenoidi so med prehransko koristnimi živili, ki jih najdemo v sadju in zelenjavi. Med hranili so lutein, zeaksantin in likopen. Večina karotenoidov ima antioksidativne lastnosti. Nekatere, vključno z alfa- in beta-karotenom ter beta-kriptoksantinom, lahko telo pretvori v strukturno podoben retinol, vitamin A. Svetle barve zelenjave, zlasti rumena koruza, oranžna korenja in rdeča paradižnika , obstaja zaradi karotenoidov.
Del molekule, ki proizvaja barve, ki jih najdemo v strukturi karotenoidov, je kromofor, kar pomeni “barvni nosilec”. V veliki meri je določena z neprekinjenim zbiranjem izmeničnih dvojnih vezi, ki jih najdemo v molekuli. Ta zbirka pi elektronov absorbira energijo, ki sovpada z delom vidnega spektra. Kar ostane kot neabsorbirane barve, določa barvo sadja ali zelenjave. Tako rumena zelenjava absorbira svetlobo predvsem v modrem delu spektra.
Karotenoidi se nahajajo v rastlinskih kloroplastih in kromoplastih. Služijo dvema specifičnima funkcijama. Spojini tako absorbirata svetlobo, ki se lahko uporablja v procesu fotosinteze s prenosom energije, in služita za zaščito občutljivih molekul klorofila pred izpostavljenostjo škodljivi ultravijolični svetlobi. Jeseni se ponekod po svetu, ko se količina klorofila zmanjšuje, se karotenoidi pogosto pokažejo v čudovitih barvah mnogih rastlin, ki se spreminjajo z letnimi časi. Produkti razgradnje številnih karotenoidov dajejo prijetne arome; nekatere od teh spojin se uporabljajo v industriji esenc, parfumov in arom.