واکنش نوری، انرژى نورى را به انرژى شیمیائى (ATP و NADPH)، تبدیل مى‌کند. این ترکیبات سپس به مصرف احیاء CO2 رسیده و در نتیجه ترکیبات آلى پایدار تولید مى‌شوند که وزن ماده خشک گیاه را تشکیل مى‌دهند.

تثبیت کربن در گونه‌هاى سه‌کربنه

دانش‌ امروزى اما در مورد مسیر کربن در فتوسنتز براساس تحقیقاتى که توسط کالوین و همکاران او در سال 1975 انجام گرفته است استوار مى‌باشد.

احیاء CO2 در چرخه کالوین توسط آنزیم ریبولوز-بى‌فسفات (RuBP)، کربوکسیلاز انجام مى‌گردد. توجه داشته باشید ATP که در نتیجه فسفریلاسیون نورى تولید شده است، براى تبدیل ریبولوز مونوفسفات به ریبولوز بى‌فسفات (RuBP)، مصرف مى‌شود. بعد از احیاء CO2، ATP توأم با نوکلئوتیدهاى احیاء شده (حاصل از واکنش‌هاى نوری)، ترى‌فسفوگلسیریک اسید (3-PGA)، را به ترى‌فسفوگلیسرآلدئید (3-PGald)، تبدیل مى‌نمایند. گونه‌هائى که داراى این مسیر کربن هستند به گونه‌ها سه کربنه (C3)، معروف هستند زیرا اولین محصول قابل اندازه‌گیرى در آنها بعد از افزودن CO2 رادیواکتیودار (Co2 14)، یک مولکول 3 کربنه یعنى ترى‌فسفوگلیسیریک اسید (3-PGA)، مى‌باشد.

در سال‌هاى 1954 تا 1966 چرخه‌ کالوین تنها مسیر شناخته شده احیاء کربن در گیاهان عالى بود، تا اینکه هاچ و سلک در سال 1966 ضمن تحقیق در استرالیا شواهد مشروحى را ارائه دادند که مسیر دیگرى را براى تثبیت CO2 در بعضى از گونه‌هاى گیاهى نشان مى‌داد. در این مسیر، کربن توسط آنزیم فسفوانول پیروات (PEP)، کربوکسیلاز تثبیت مى‌شود.

 ATP تولید شده در فسفریلاسیون نورى براى تبدیل پیروات به فسفوانول پیروات به‌کار مى‌رود. PEP که یک مولکول 3 کربنه است، به سه اسید 4 کربنه (اسید اگزالواستیک، اسید مالیک و اسید آسپاریک) تبدیل مى‌شود. این اسیدها به سلول‌هاى غلاف آوندى انتقال داده مى‌شوند و در آنجا به پیروات تبدیل مى‌شوند. در تبدیل این اسیدها به پیروات یک کربن آزاد مى‌شود که به RUBP یا یک مولکول 2 کربنه توسط آنزیم RuBP کربوکسیلاز چسبیده مى‌شود و به ترى‌فسفوگلیسریک اسید (3-PGA)، تبدیل مى‌شود. بعد از تولید 3-PGA در غلاف آوندى چرخه کالوین در این گیاهان به‌کار مى‌افتد. گونه‌هائى که مسیر هاچ و سلک را طى مى‌کنند چهارکربنه (C4)، نامیده مى‌شوند، زیرا اولین محصول فتوسنتز آنها که در سلول‌هاى مزوفیل برگ تولید مى‌شود یک مولکول چهارکربنه مى‌باشد.

1. تفاوت‌هاى ساختمانى (ساختمان برگ گونه‌هاى C4 به نام ساختمان کرانز(Kranz)، مصطلح است).

- در سلول‌هاى غلاف آوندى گونه‌هاى C4 کلروپلاست وجود دارد در صورتى‌که در گیاهان C3 چنین چیزى وجود ندارد.

- کلروپلاست درون بافت مزوفیل گونه‌هاى C3 و C4 مشابه مى‌باشد (داراى غشاى خارجى دو لایه هستند و گراناى آنها به‌طور کامل تکامل یافته است) اما واکنش‌هاى بیوشیمیائى که در آنها صورت مى‌گیرد بسیار متفاوت است به‌طورى‌که در گونه‌هاى C3 احیاء CO2 توسط آنزیم RuBP کربوکسیلاز صورت مى‌گیرد و چرخه کالوین عمل مى‌کند و نشاسته در آنها ذخیره مى‌شود. در صورتى‌که در گونه‌هاى C4 احیاء CO2 توسط آنزیم PEP کربوکسیلاز صورت مى‌گیرد و اسیدهاى تولید شده به سلول‌هاى غلاف آوندى منتقل مى‌شوند. در سلول‌هاى مزوفیل گونه‌هاى C4 فقط اسیدهاى چهارکربنه تشکیل مى‌شود و نشاسته تولید نمى‌گردد.

- کلروپلاست سلول‌هاى غلاف آوندى گونه‌هاى C4 نسبت به سلول‌هاى مزوفیل بزرگتر ولى گراناى آنها نسبت به کلروپلاست سلول‌هاى مزوفیل تکاملل کمترى یافته است، و از آنجا که چرخه کالوین در آنها عمل مى‌نماید بنابراین نشاسته ذخیره مى‌کنند.

2. آنزیم PEP کربوکسیلاز نسبت به آنزیم RuBP کربوکسیلاز میل ترکیبى بیشترى با CO2 از خود نشان مى‌دهد؛ بنابراین قادر خواهد بود در غلظت‌هاى کم CO2 بازده بیشترى داشته باشد.

3. گونه‌هاى C4 به‌خصوص در نور زیاد، از سرعت فتوسنتزى بیشترى نسبت به‌گونه‌هاى C3 برخوردار هستند.

4. به لحاظ نیاز آنزیم PEP کربوکسیلاز به ATP، به‌ظاهر این‌طور به‌نظر مى‌رسد که گونه‌هاى C4 جهت احیاء یک مولکول CO2 به انرژى بیشترى نسبت به گونه‌هاى C3 نیاز داشته باشند لیکن این مسئله هنوز ثابت نشده است.

5. میزان آنزیم RuBP کربوکسیلاز گونه‌هاى C4 نسبت به گونه‌هاى C3 بسیار کمتر است (حدود 10%)، در گونه‌هاى C3 آنزیم PEP کربوکسیلاز وجود ندارد.

6. گونه‌هاى داراى مکانیسم‌هاى متفاوت تثبیت CO2 از نظر سازگارى با شرایط محیطى نیز متفاوت هستند. گونه‌هاى C3 به شرایط سرد و مرطوب تا گرم مرطوب ولى گونه‌هاى C4 به شرایط گرم، خشک یا مرطوب سازگار مى‌باشند.

7. مهم‌ترین عاملى که در گونه‌هاى C4 باعث افزایش بازده فتوسنتز مى‌شود، عدم وجود تنفس نورى قابل محاسبه مى‌باشد، در ‌صورتى‌که در گونه‌هاى C3 تنفس نوری، عامل اصلى دفع CO2 در نور مى‌باشد.

تنفس نوری یک فرآورده جنبی چرخه کالوین می‌باشد. چون RuBP کربوکسیلاز و RuBP اکسیژناز شبیه به‌هم می‌باشند ، CO2 و O2 هر دو برای ترکیب با یک ماده که همان RuBP (ریبولوز بی‌فسفات) است رقابت می‌کنند. در گونه‌های C4 تنفس نوری قابل ملاحظه‌ای صورت نمی‌گیرد. همین عمل را (عدم تنفس نوری) عامل اصلی افزایش بازده فتوسنتزی گونه‌های C4 نسبت به C3 می‌دانند. چون انتقال اسیدهای 4 کربنه به سلول‌های غلاف آوندی غلظت CO2را در این سلول‌ها افزایش می‌دهد ، در نتیجه شرایط برای واکنش آنزیم RuBP کربوکسیلاز نسبت به RuBP اکسیژناز مساعدتر می‌گردد.

به این دلیل تصور می‌شود که میزان تنفس نوری در گیاهان C4 بسیار کم و یا صفر باشد. به‌هر حال به‌دلیل میل ترکیبی شدید آنزیم PEP کربوکسیلاز با CO2 در سلول‌های مزوفیل ، احتمالاً خروج مولکول CO2 آزاد شده در سلول‌های غلاف آوندی از برگ مقدور نمی‌باشد. بنابراین تنفس نوری اگر هم صورت گیرد قابل اندازه‌گیری نیست. (گلدزورتی ، 1970). تنفس نوری منجر به آزاد سازی CO2 می‌گردد بدون آنکه انرژی حاصل از این کار به مصرف مفید برسد. به‌هر حال تنفس نوری زمینه را برای آمینه شدن و تشکیل اسیدهای آمینه فراهم می‌کند و باعث حفظ چرخه فسفات معدنی می‌گردد که ممکن است در شرایط نور کم و درجه حرارت پائین مفید واقع شود. برای محاسبه تنفس نوری از روش‌های مخصوصی استفاده می‌شود:

- اگر گیاه یا برگ‌هاى یک گیاه در محفظه‌اى روشن و بدون ارتباط با هوا قرار داده شود، غلظت CO2 هواى داخل محفظه کاهش مى‌یابد تا آنجا که تعادلى بین غلظت CO2 برگ و هوا ایجاد گردد (غلظت نقطه تعادل)، که این غلظت نشانگر میزان تنفس نورى مى‌باشد .

- اگر برگى را به سرعت در تاریکى مطلق قرار دهیم فتوسنتز آن قطع مى‌شود در حالى‌که تنفس نورى آن به‌دلیل مصرف اسیدگلیکولیک براى مدت کوتاهى ادامه خواهد داشت. این امر باعث افزایش ناگهانى غلظت CO2 (انفجار پس از روشنائی، post ilumination burst)، خواهد شد. در این حالت میزان CO2 دفع شده به مراتب بیش از میزان CO2 خارج شده از طریق تنفس معمولى مى‌باشد.

- جهت تبدیل اسیدگلیکولیک به اسید گلى اگزیلیک O2 مورد نیاز است. اگر مقدار اکسیژن هوا از 21% به 1% یا کمتر کاهش یابد تنفس نورى قطع خواهد شد. بنابراین اختلاف فتوسنتز در غلظت‌هاى 21% و 1% اکسیژن بیانگر مقدار تنفس نورى مى‌باشد .

هردونوع احیاء CO2 در گونه‌هاى زراعى صورت مى‌گیرد.

نوع سوم احیاء CO2 که CAM یا متابولیسم کراسولائى (Crassulation acid metabolism)، نامیده مى‌شود به‌طور عمده در گیاهان آبدار که داراى برگ‌ها یا ساقه‌ها گوشتى هستند صورت مى‌گیرد. چنین گیاهانى به شرایط خشک که کمى تعرق لازمه بقا است سازگار شده‌اند. در شرایط رطوبت کم، روزنه‌ها در شب باز شده و CO2 جذب مى‌کنند و در روز بسته مى‌شوند. لذا شدت تعرق گیاه خیلى کم مى‌شود. از گیاهان زراعى فقط تعداد معدودى داراى چرخه CAM هستند که عبارتند از: آناناس، انواع آگاو از جمله: sisal گیاه صباره (Agave fourcrodes)، و از این قبیل و کاکتوس.

گونه‌هاى داراى چرخه CAM مانند گونه‌هاى C4، CO2 را به‌صورت اسیدهاى چهارکربنه با PEP کربوکسیلاز تثبیت مى‌کنند و تفاوت آنها با گیاهان C4 در این است که این عمل در شب هنگامى‌که روزنه‌ها باز هستند انجام مى‌گیرد. انرژى لازم براى این عمل را گلى‌کولیز تأمین مى‌نماید. در روز تشعشع خورشید سبب بسته شدن شکاف روزنه‌هاى برگ‌ها مى‌شود، لیکن این انرژى نورى جهت ادامه چرخه? کالوین به‌کار مى‌رود و CO2 از اسید چهارکربنه آزاد مى‌گردد، نظیر آنچه که در سلول‌هاى غلاف آوندى در گونه‌هاى C4 صورت مى‌پذیرد. کلروپلاست گونه‌هاى CAM شباهت زیادى کلروپلاست گونه‌هاى C3 دارد. فعالیت روزنه‌ها و عمل کربوکسیلاسیون گونه‌هاى CAM در شرایط مرطوب و مساعد ممکن است به‌صورت گونه‌هاى C3 تغییر پیدا مى‌کند.

بنابراین گیاهان CAM داراى خصوصیات فیزیولوژیکى پیشرفته‌اى مى‌باشند که آنها را قادر مى‌سازد. رطوبت کمترى از دست بدهند و در نتیجه از خشکى بگریزند. در جائى که رطوبت قابل استفاده جهت زنده‌ماندن گیاهان زراعى کم باشد، این‌گونه گیاهان اهمیت خاصى دارند.