Egyes növények – köztük a fontos kultúrnövények, a cukornád és a kukorica (kukorica), valamint más különféle fajok, amelyekről feltételezik, hogy földrajzi elterjedési területüket a trópusi területekre is kiterjesztették – olyan különleges szénmegkötési mechanizmust fejlesztettek ki, amely nagyrészt megakadályozza a fotorespirációt. E növények levelei különleges anatómiával és biokémiával rendelkeznek. A fotoszintetikus funkciók különösen a mezofill és a köteghüvelyes levélsejtek között oszlanak meg. A szénmegkötési útvonal a mezofill sejtekben kezdődik, ahol a szén-dioxidot bikarbonáttá alakítják, amelyet aztán a foszfoenolpiruvát (PEP) nevű enzim a foszfoenolpiruvát-karboxiláz enzim segítségével a három szénsavból álló foszfoenolpiruváthoz adnak hozzá. Ennek a reakciónak a terméke a négy szénatomos oxalacetát, amely a C4 út egyik formájában maláttá, egy másik négy szénatomos savvá redukálódik. A malát ezután a levél érrendszerének közelében elhelyezkedő köteghüvelysejtekhez szállítódik. Ott a malát a kloroplasztiszokba kerül, ahol az almasav enzim oxidálja és dekarboxilálja (azaz CO2-t veszít). Ennek eredményeképpen nagy koncentrációjú szén-dioxid keletkezik, amely a köteghüvelysejtek Calvin-Benson-ciklusába kerül, valamint piruvát, egy három szénsav, amely visszatranszlokálódik a mezofill sejtekbe. A mezofill kloroplasztiszokban a piruvát-ortofoszfát-dikináz (PPDK) enzim ATP-t és Pi-t használ fel a piruvát PEP-péppé történő visszaalakításához, ezzel befejeződik a C4-ciklus. Ennek az útvonalnak számos változata létezik a különböző fajokban. Egyes fajokban például az aszpartát és az alanin aminosavak helyettesíthetik a malátot és a piruvátot.
© Julianne Gentry-iStock/Getty Images
A C4-es útvonal a köteghüvelysejtek kloroplasztiszaiban a szén-dioxid magas koncentrációjának felépítésére szolgáló mechanizmusként működik. Az így létrejövő magasabb belső szén-dioxid-szint ezekben a kloroplasztiszokban a karboxiláció és az oxigenizáció arányának növelését szolgálja, így minimalizálva a fotorespirációt. Bár a növénynek többletenergiát kell fordítania e mechanizmus működtetéséhez, az energiaveszteséget bőven kompenzálja a fotorespiráció szinte teljes megszűnése olyan körülmények között, ahol az egyébként előfordulna. A cukornád és bizonyos más növények, amelyek ezt az útvonalat alkalmazzák, az összes faj közül a legnagyobb éves biomassza-termeléssel rendelkeznek. Hűvös éghajlaton, ahol a fotorespiráció jelentéktelen, a C4-es növények ritkák. A szén-dioxidot a köteghüvelyben a szénhidrát-szintézisben is hatékonyan használják fel.
A mezofill sejtekben található PEP-karboxiláz a C4-es növények egyik alapvető enzime. Forró és száraz környezetben a szén-dioxid-koncentráció a levél belsejében csökken, amikor a növény bezárja vagy részben bezárja a sztómáit, hogy csökkentse a levelek vízveszteségét. Ilyen körülmények között a Rubisco-t elsődleges karboxiláló enzimként használó növényekben valószínűleg fotorespiráció lép fel, mivel a Rubisco alacsony szén-dioxid-koncentráció esetén oxigént ad a RuBP-hez. A PEP-karboxiláz azonban nem használ oxigént szubsztrátként, és nagyobb affinitással rendelkezik a szén-dioxidhoz, mint a Rubisco. Így képes szén-dioxidot kötni csökkentett szén-dioxid-körülmények között, például amikor a levelek sztómái csak részben nyitva vannak. Ennek következtében a C4-es növények hasonló fotoszintézis mellett kevesebb vizet veszítenek, mint a C3-as növények. Ez magyarázza, hogy a C4-es növények miért kedvelik a száraz és meleg környezeteket.