Vissa växter – inklusive de viktiga grödorna sockerrör och majs (majs), samt andra olika arter som tros ha utökat sina geografiska utbredningsområden till tropiska områden – har utvecklat en speciell mekanism för kolfixering som i stort sett förhindrar fotorespiration. Bladen hos dessa växter har en speciell anatomi och biokemi. Framför allt är de fotosyntetiska funktionerna uppdelade mellan bladceller i mesofyll och bladceller i buntskidan. Kolfixeringsvägen börjar i mesofyllcellerna, där koldioxid omvandlas till bikarbonat, som sedan läggs till trekolssyran fosfenolpyruvat (PEP) av ett enzym som kallas fosfenolpyruvatkarboxylas. Produkten av denna reaktion är den fyrkoliga syran oxaloacetat, som reduceras till malat, en annan fyrkolig syra, i en form av C4-vägen. Malat transporteras sedan till buntskaftscellerna, som är belägna nära bladets kärlsystem. Där kommer malat in i kloroplasterna och oxideras och dekarboxyleras (dvs. förlorar koldioxid) av malicenzym. Detta ger höga koncentrationer av koldioxid, som förs in i Calvin-Benson-cykeln i buntskivecellerna, och pyruvat, en trekolig syra som translokeras tillbaka till mesofyllcellerna. I de mesofylliska kloroplasterna använder enzymet pyruvatortofosfatdikinas (PPDK) ATP och Pi för att omvandla pyruvat tillbaka till PEP och slutföra C4-cykeln. Det finns flera varianter av denna väg i olika arter. Till exempel kan aminosyrorna aspartat och alanin ersätta malat och pyruvat i vissa arter.
© Julianne Gentry-iStock/Getty Images
C4-vägen fungerar som en mekanism för att bygga upp höga koncentrationer av koldioxid i kloroplasterna i buntskivecellerna. Den resulterande högre nivån av intern koldioxid i dessa kloroplaster tjänar till att öka förhållandet mellan karboxylering och syresättning, vilket minimerar fotorespirationen. Även om växten måste använda extra energi för att driva denna mekanism, kompenseras energiförlusten mer än väl av att fotorespiration nästan elimineras under förhållanden där den annars skulle uppstå. Sockerrör och vissa andra växter som använder denna metod har den högsta årliga avkastningen av biomassa av alla arter. I kalla klimat, där fotorespirationen är obetydlig, är C4-växter sällsynta. Koldioxid används också effektivt vid kolhydratsyntesen i buntskidan.
PEP-karboxylas, som finns i mesofyllcellerna, är ett viktigt enzym i C4-växter. I varma och torra miljöer sjunker koldioxidkoncentrationen i bladet när växten stänger eller delvis stänger sina klyvöppningar för att minska vattenförlusten från bladen. Under dessa förhållanden är det troligt att fotorespiration uppstår i växter som använder Rubisco som det primära karboxylerande enzymet, eftersom Rubisco tillför syre till RuBP när koldioxidhalterna är låga. PEP-karboxylas använder dock inte syre som substrat och har en större affinitet för koldioxid än Rubisco. Det har därför förmågan att fixera koldioxid under förhållanden med minskad koldioxidhalt, t.ex. när klyvöppningarna på bladen bara är delvis öppna. Därför förlorar C4-växter mindre vatten än C3-växter vid liknande fotosynteshastigheter. Detta förklarar varför C4-växter gynnas i torra och varma miljöer.