Tietyillä kasveilla – mukaan lukien tärkeät viljelykasvit sokeriruoko ja maissi (maissi) sekä muut erilaiset lajit, joiden uskotaan laajentaneen maantieteellistä levinneisyysaluettaan trooppisille alueille – on kehitetty erityinen hiilen sitomismekanismi, joka estää suurelta osin valohengityksen. Näiden kasvien lehdillä on erityinen anatomia ja biokemia. Erityisesti fotosynteettiset toiminnot on jaettu mesofyllin ja nipun vaipan lehtisolujen kesken. Hiilensidontareitti alkaa mesofyllin soluista, joissa hiilidioksidi muutetaan bikarbonaatiksi, joka sitten liitetään kolmihiilihappoiseen fosfenolipyruvaattiin (PEP) fosfenolipyruvaattikarboksylaasi-entsyymin avulla. Tämän reaktion tuote on nelihiilihappo oksaloasetaatti, joka pelkistyy malaatiksi, toiseksi nelihiilihapoksi, C4-reitin yhdessä muodossa. Tämän jälkeen malaatti kuljetetaan nipun vaippasoluihin, jotka sijaitsevat lähellä lehden verisuonistoa. Siellä malaatti kulkeutuu kloroplastiin ja hapettuu ja dekarboksyloituu (eli menettää hiilidioksidia) omenahappoentsyymin avulla. Näin saadaan suuria pitoisuuksia hiilidioksidia, joka syötetään nipun vaippasolujen Calvin-Bensonin sykliin, ja pyruviittia, kolmihiilihappoa, joka siirretään takaisin mesofyllisoluihin. Mesofyllin kloroplasteissa entsyymi pyruvaatti-ortofosfaattidikinaasi (PPDK) käyttää ATP:tä ja Pi:tä muuttaakseen pyruvaatin takaisin PEP:ksi, jolloin C4-kierto saadaan päätökseen. Tästä reitistä on useita muunnelmia eri lajeissa. Esimerkiksi aminohapot aspartaatti ja alaniini voivat korvata malaatin ja pyruvaatin joissakin lajeissa.
© Julianne Gentry-iStock/Getty Images
C4-reitti toimii mekanismina, jonka avulla korkeat hiilidioksidipitoisuudet kerääntyvät nipputuppisolujen kloroplasteihin. Näin syntyvä korkeampi sisäinen hiilidioksidipitoisuus näissä kloroplasteissa lisää karboksylaation ja hapetuksen suhdetta ja minimoi siten fotorespiraation. Vaikka kasvi joutuu käyttämään ylimääräistä energiaa tämän mekanismin käyttämiseen, energiahäviö enemmän kuin kompensoituu, koska fotorespiraatio poistuu lähes kokonaan olosuhteissa, joissa sitä muuten esiintyisi. Sokeriruoko ja tietyt muut tätä reittiä käyttävät kasvit tuottavat kaikista lajeista eniten biomassaa vuodessa. Viileässä ilmastossa, jossa fotorespiraatio on vähäistä, C4-kasvit ovat harvinaisia. Hiilidioksidia käytetään tehokkaasti hiilihydraattisynteesiin myös nipun tupessa.
PEP-karboksylaasi, joka sijaitsee mesofyllisoluissa, on välttämätön entsyymi C4-kasveissa. Kuumissa ja kuivissa ympäristöissä hiilidioksidipitoisuudet lehden sisällä laskevat, kun kasvi sulkee tai sulkee osittain stomatansa vähentääkseen vesihäviötä lehdistä. Näissä olosuhteissa fotorespiraatiota esiintyy todennäköisesti kasveissa, jotka käyttävät Rubiscoa ensisijaisena karboksyloivana entsyyminä, koska Rubisco lisää happea RuBP:hen, kun hiilidioksidipitoisuudet ovat alhaiset. PEP-karboksylaasi ei kuitenkaan käytä happea substraattina, ja sillä on suurempi affiniteetti hiilidioksidiin kuin Rubiscolla. Näin ollen sillä on kyky sitoa hiilidioksidia alentuneissa hiilidioksidipitoisuuksissa, kuten silloin, kun lehtien huokoset ovat vain osittain auki. Tämän seurauksena C4-kasvit menettävät vastaavilla fotosynteesinopeuksilla vähemmän vettä kuin C3-kasvit. Tämä selittää, miksi C4-kasveja suositaan kuivissa ja lämpimissä ympäristöissä.