กลไกการเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในพืช C4

จากที่ทราบมาแล้วว่าในปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ของกระบวนการสังเคราะด้วยแสงในวัฏจักรคัลวินของพืชได้สารประกอบคงตัวชนิดแรกคือ PGA ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีคาร์บอน 3 อะตอมเรียกพืชชนิดนี้ว่า พืช C3 แต่มีพืชบางชนิดในเขตร้อนมีวิวัฒนาการที่สามารถตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ นอกเหนือจากวัฏจักรคัลวิน และได้สารประกอบคงตัวชนิดแรกซึ่งมีคาร์บอน 4 อะตอม และไม่ใช่ PGAจึงเรียกพืชที่มีกระบวนการเช่นนี้ว่า พืช C4
โครงสร้างของใบที่จำเป็นต่อการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์

จากภาพจะเห็นว่าใบพืชในภาพ ก เป็นใบพืชที่พบคลอโรพลาสต์มากในเซลล์มีโซฟิลล์ จัดเป็นพืช C3 ส่วนใบพืชในภาพ ข นอกจากจะพบคลอโรพลาสต์ในเซลล์มีโซฟิลล์แล้วในเซลล์บันเดิลชีทก็ยังพบคลอโรพลาสต์อยู่ด้วย พืชลักษณะนี้จัดเป็นพืช C4 พืช C3 มีปริมาณร้อยละ 85 ของพืชทุกชนิด ส่วนใหญ่เป็นพืชที่มีถิ่นกำเนิดในเขตอบอุ่น ส่วนพืช C4 เป็นพืชที่มีถิ่นกำเนิดในเขตร้อนหรือกึ่งร้อน ซึ่งมีประมาณ 1500 สปีชีส์ เช่น ข้าวโพด ข้าวฟ่าง อ้อย หญ้าแพรก หญ้าแห้วหมู ผักโขมจีน และบานไม่รู้โรย เป็นต้น
นอกจากนี้ในพืช C4 เซลล์มีโซฟิลล์และเซลล์บันเดิลชีทที่อยู่ติดกันจะมีพลาสโมเดสมาตาเชื่อมระหว่างเซลล์ทั้งสองและทำหน้าที่เป็นทางผ่านและลำเลียงสารจากกระบวนการเมแทบอลิซึมระหว่างเซลล์มีโซฟิลล์และเซลล์บันเดิลชีท
วัฏจักรของพืช C4

ครั้งแรกโดยกรดฟอสโฟอีนอลไพรูวิก ( phosphoenolpyruvic acid : PEP ) ซึ่งเป็นสารที่มีีคาร์บอน 3 อะตอม ตรึงคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารที่มีคาร์บอน 4 อะตอม เรียกว่า กรดออกซาโลแอซิติก (oxaloacetic acid :OAA ) ซึ่งเป็นสารประกอบคงตัวชนิดแรกที่ได้จากปฏิกิริยาตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ จึงเรียกพืชที่มีกระบวนการเช่นนี้ว่า พืช C4
ครั้งที่สอง OAA มีการเปลี่ยนแปลงหลายขั้นตอนและลำเลียงผ่านพลาสโมเดสมาตามายังเซลล์บันเดิลชีทสารคาร์บอน 4 อะตอม ที่ลำเลียงมานี้จะปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ให้กับ RuBP ในวัฏจักรคัลวินกลายเป็นสารที่มีคาร์บอน 3 อะตอมซึ่งจะลำเลียงกลับมาที่สโตรมาของเซลล์มีโซฟิลล์และเปลี่ยนแปลงเป็นสาร PEPเพื่อจะตรึงคาร์บอนไดออกไซด์อีกครั้งหนึ่ง
วัฏจักรคาร์บอนของพืช C4ช่วยให้พืชสามารถนำคาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและในเซลล์มีโซฟิลล์ที่มีความเข้มข้นต่ำเข้าสู่บันเดิลชีททำให้ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในเซลล์บันเดิลชีทสูงมากขึ้นเมื่อเทียบกับความเข้มข้นของออกซิเจนทำให้ปฏิกิริยาการตรึงออกซิเจน โดย RuBP เกิดได้น้อย พืช C4 จึงมีการสูญเสียคาร์บอนอะตอมจากโฟโตเรสไพเรชันน้อยมากจนวัดไม่ได้ในสภาพปกติ