葉綠體由葉綠體外被（chloroplast envelope）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）3部分組成，葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內膜、類囊體膜和3種彼此分開的腔：膜間隙、基質和類囊體腔
（一）外被
葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營養分子可自由進入膜間隙。
內膜對透過物質的選擇性很強，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內膜較慢。蔗糖、C5糖雙磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透過內膜，需要特殊的轉運體（translator）才能透過內膜。
（二）類囊體
是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。
許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內膜系統的基粒片層（grana lamella）。基粒直徑約0.25~0.8μm，由10~100個類囊體組成。每個葉綠體中約有40~60個基粒。
貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們形成了內膜系統的基質片層（stroma lamella）。
由於相鄰基粒經網管狀或扁平狀基質類囊體相聯結，全部類囊體實質上是一個相互貫通的封閉系統。類囊體做為單獨一個封閉膜囊的原始概念已失去原來的意義，它所表示的僅僅是葉綠體切面的平面形態。
類囊體膜的主要成分是蛋白質和脂類（60：40），脂類中的脂肪酸主要是不飽含脂肪酸（約87%），具有較高的流動性。光能向化學能的轉化是在類囊體上進行的，因此類囊體膜亦稱光合膜，類囊體膜的內在蛋白主要有細胞色素b6/f複合體、質體醌（PQ）、質體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統Ⅰ、光系統Ⅱ複合物等。
（三）基質
是內膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：
碳同化相關的酶類：如RuBP羧化酶佔基質可溶性蛋白總量的60%。
葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。
一些顆粒成分：如澱粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。
二、光合作用機理
光合作用的是能量及物質的轉化過程。首先光能轉化成電能，經電子傳遞產生ATP和NADPH形式的不穩定化學能，最終轉化成穩定的化學能儲存在糖類化合物中。分為光反應（light reaction）和暗反應（dark reaction），前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化，後者不需要光，涉及CO2的固定。分為C3和C4兩類。
（一）光合色素和電子傳遞鏈組分
1．光合色素
類囊體中含兩類色素：葉綠素和橙黃色的類胡蘿蔔素，通常葉綠素和類胡蘿蔔素的比例約為3:1，chla與chlb也約為3:l，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿蔔素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質以非共價鍵結合，一條肽鏈上可以結合若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利於能量傳遞。
2．集光復合體（light harvesting complex）
由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成。大部分色素分子起捕獲光能的作用，並將光能以誘導共振方式傳遞到反應中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿蔔素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。
3．光系統Ⅱ（PSⅡ）
吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。位於基粒於基質非接觸區域的類囊體膜上。包括一個集光復合體（light-hawesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的複合體（oxygen evolving complex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結合中心色素P680、去鎂葉綠素(pheophytin)及質體醌(plastoquinone)。
4．細胞色素b6/f複合體(cyt b6/f complex)
可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質體醌的結合蛋白）。
5．光系統Ⅰ（PSI）
能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈，位於基粒與基質接觸區和基質類囊體膜中。由集光復合體Ⅰ和作用中心構成。結合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3個不同的4Fe-4S。
（二）光反應與電子傳遞
P680接受能量後，由基態變為激發態（P680*），然後將電子傳遞給去鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z（反應中心D1蛋白上的一個酪氨酸側鏈）得到電子而還原；Z+再從放氧複合體上獲取電子；氧化態的放氧複合體從水中獲取電子，使水光解。
2H 2O→O2 + 4H+ + 4e-
在另一個方向上去鎂葉綠素將電子傳給D2上結合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的QB，還原型的質體醌從光系統Ⅱ複合體上游離下來，另一個氧化態的質體醌佔據其位置形成新的QB。質體醌將電子傳給細胞色素b6/f複合體，同時將質子由基質轉移到類囊體腔。電子接著傳遞給位於類囊體腔一側的含銅蛋白質體藍素(plastocyanin， PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到光系統Ⅱ。
P700被光能激發後釋放出來的高能電子沿著A0→ A1 →4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側傳向類囊體基質一側的鐵氧還蛋白（ferredoxin，FD）。最後在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP+，形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原
以上電子呈Z形傳遞的過程稱為非迴圈式光合磷酸化，當植物在缺乏NADP+時，電子在光系統內Ⅰ流動，只合成ATP，不產生NADPH，稱為迴圈式光合磷酸化。
（三）光合磷酸化
一對電子從P680經P700傳至NADP+，在類囊體腔中增加4個H+，2個來源於H2O光解，2個由PQ從基質轉移而來，在基質外一個H+又被用於還原NADP+，所以類囊體腔內有較高的H+（pH≈5，基質pH≈8），形成質子動力勢，H+經ATP合酶，滲入基質、推動ADP和Pi結合形成ATP。
ATP合酶，即CF1-F0偶聯因子，結構類似於線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成α3β3γδε的結構。CF0嵌在膜中，由4種亞基構成，是質子透過類囊體膜的通道。
（四）暗反應
C3途徑(C3 pathway)：亦稱卡爾文 (Calvin)迴圈。CO2受體為RuBP，最初產物為3-磷酸甘油酸(PGA)。
C4途徑(C4 pathway) ：亦稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑，CO2受體為PEP，最初產物為草醯乙酸(OAA)。
景天科酸代謝途徑（Crassulacean acid metabolism pathway，CAM途徑）：夜間固定CO2產生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，進行CO2固定。
葉綠體由葉綠體外被（chloroplast envelope）、類囊體（thylakoid）和基質（stroma）3部分組成，葉綠體含有3種不同的膜：外膜、內膜、類囊體膜和3種彼此分開的腔：膜間隙、基質和類囊體腔
（一）外被
葉綠體外被由雙層膜組成，膜間為10~20nm的膜間隙。外膜的滲透性大，如核苷、無機磷、蔗糖等許多細胞質中的營養分子可自由進入膜間隙。
內膜對透過物質的選擇性很強，CO2、O2、Pi、H2O、磷酸甘油酸、丙糖磷酸，雙羧酸和雙羧酸氨基酸可以透過內膜，ADP、ATP已糖磷酸，葡萄糖及果糖等透過內膜較慢。蔗糖、C5糖雙磷酸酯，C糖磷酸酯，NADP+及焦磷酸不能透過內膜，需要特殊的轉運體（translator）才能透過內膜。
（二）類囊體
是單層膜圍成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，又稱光合膜。
許多類囊體象圓盤一樣疊在一起，稱為基粒，組成基粒的類囊體，叫做基粒類囊體，構成內膜系統的基粒片層（grana lamella）。基粒直徑約0.25~0.8μm，由10~100個類囊體組成。每個葉綠體中約有40~60個基粒。
貫穿在兩個或兩個以上基粒之間的沒有發生垛疊的類囊體稱為基質類囊體，它們形成了內膜系統的基質片層（stroma lamella）。
由於相鄰基粒經網管狀或扁平狀基質類囊體相聯結，全部類囊體實質上是一個相互貫通的封閉系統。類囊體做為單獨一個封閉膜囊的原始概念已失去原來的意義，它所表示的僅僅是葉綠體切面的平面形態。
類囊體膜的主要成分是蛋白質和脂類（60：40），脂類中的脂肪酸主要是不飽含脂肪酸（約87%），具有較高的流動性。光能向化學能的轉化是在類囊體上進行的，因此類囊體膜亦稱光合膜，類囊體膜的內在蛋白主要有細胞色素b6/f複合體、質體醌（PQ）、質體藍素（PC）、鐵氧化還原蛋白、黃素蛋白、光系統Ⅰ、光系統Ⅱ複合物等。
（三）基質
是內膜與類囊體之間的空間，主要成分包括：
碳同化相關的酶類：如RuBP羧化酶佔基質可溶性蛋白總量的60%。
葉綠體DNA、蛋白質合成體系：如，ctDNA、各類RNA、核糖體等。
一些顆粒成分：如澱粉粒、質體小球和植物鐵蛋白等。
二、光合作用機理
光合作用的是能量及物質的轉化過程。首先光能轉化成電能，經電子傳遞產生ATP和NADPH形式的不穩定化學能，最終轉化成穩定的化學能儲存在糖類化合物中。分為光反應（light reaction）和暗反應（dark reaction），前者需要光，涉及水的光解和光合磷酸化，後者不需要光，涉及CO2的固定。分為C3和C4兩類。
（一）光合色素和電子傳遞鏈組分
1．光合色素
類囊體中含兩類色素：葉綠素和橙黃色的類胡蘿蔔素，通常葉綠素和類胡蘿蔔素的比例約為3:1，chla與chlb也約為3:l，全部葉綠素和幾乎所有的類胡蘿蔔素都包埋在類囊體膜中，與蛋白質以非共價鍵結合，一條肽鏈上可以結合若干色素分子，各色素分子間的距離和取向固定，有利於能量傳遞。
2．集光復合體（light harvesting complex）
由大約200個葉綠素分子和一些肽鏈構成。大部分色素分子起捕獲光能的作用，並將光能以誘導共振方式傳遞到反應中心色素。因此這些色素被稱為天線色素。葉綠體中全部葉綠素b和大部分葉綠素a都是天線色素。另外類胡蘿蔔素和葉黃素分子也起捕獲光能的作用，叫做輔助色素。
3．光系統Ⅱ（PSⅡ）
吸收高峰為波長680nm處，又稱P680。至少包括12條多肽鏈。位於基粒於基質非接觸區域的類囊體膜上。包括一個集光復合體（light-hawesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一個反應中心和一個含錳原子的放氧的複合體（oxygen evolving complex）。D1和D2為兩條核心肽鏈，結合中心色素P680、去鎂葉綠素(pheophytin)及質體醌(plastoquinone)。
4．細胞色素b6/f複合體(cyt b6/f complex)
可能以二聚體形成存在，每個單體含有四個不同的亞基。細胞色素b6（b563）、細胞色素f、鐵硫蛋白、以及亞基Ⅳ（被認為是質體醌的結合蛋白）。
5．光系統Ⅰ（PSI）
能被波長700nm的光激發，又稱P700。包含多條肽鏈，位於基粒與基質接觸區和基質類囊體膜中。由集光復合體Ⅰ和作用中心構成。結合100個左右葉綠素分子、除了幾個特殊的葉綠素為中心色素外外，其它葉綠素都是天線色素。三種電子載體分別為A0（一個chla分子)、A1(為維生素K1)及3個不同的4Fe-4S。
（二）光反應與電子傳遞
P680接受能量後，由基態變為激發態（P680*），然後將電子傳遞給去鎂葉綠素（原初電子受體），P680*帶正電荷，從原初電子供體Z（反應中心D1蛋白上的一個酪氨酸側鏈）得到電子而還原；Z+再從放氧複合體上獲取電子；氧化態的放氧複合體從水中獲取電子，使水光解。
2H 2O→O2 + 4H+ + 4e-
在另一個方向上去鎂葉綠素將電子傳給D2上結合的QA，QA又迅速將電子傳給D1上的QB，還原型的質體醌從光系統Ⅱ複合體上游離下來，另一個氧化態的質體醌佔據其位置形成新的QB。質體醌將電子傳給細胞色素b6/f複合體，同時將質子由基質轉移到類囊體腔。電子接著傳遞給位於類囊體腔一側的含銅蛋白質體藍素(plastocyanin， PC)中的Cu2+，再將電子傳遞到光系統Ⅱ。
P700被光能激發後釋放出來的高能電子沿著A0→ A1 →4Fe-4S的方向依次傳遞，由類囊體腔一側傳向類囊體基質一側的鐵氧還蛋白（ferredoxin，FD）。最後在鐵氧還蛋白-NADP還原酶的作用下，將電子傳給NADP+，形成NADPH。失去電子的P700從PC處獲取電子而還原
以上電子呈Z形傳遞的過程稱為非迴圈式光合磷酸化，當植物在缺乏NADP+時，電子在光系統內Ⅰ流動，只合成ATP，不產生NADPH，稱為迴圈式光合磷酸化。
（三）光合磷酸化
一對電子從P680經P700傳至NADP+，在類囊體腔中增加4個H+，2個來源於H2O光解，2個由PQ從基質轉移而來，在基質外一個H+又被用於還原NADP+，所以類囊體腔內有較高的H+（pH≈5，基質pH≈8），形成質子動力勢，H+經ATP合酶，滲入基質、推動ADP和Pi結合形成ATP。
ATP合酶，即CF1-F0偶聯因子，結構類似於線粒體ATP合酶。CF1同樣由5種亞基組成α3β3γδε的結構。CF0嵌在膜中，由4種亞基構成，是質子透過類囊體膜的通道。
（四）暗反應
C3途徑(C3 pathway)：亦稱卡爾文 (Calvin)迴圈。CO2受體為RuBP，最初產物為3-磷酸甘油酸(PGA)。
C4途徑(C4 pathway) ：亦稱哈奇-斯萊克(Hatch-Slack)途徑，CO2受體為PEP，最初產物為草醯乙酸(OAA)。
景天科酸代謝途徑（Crassulacean acid metabolism pathway，CAM途徑）：夜間固定CO2產生有機酸，白天有機酸脫羧釋放CO2，進行CO2固定。