Quá trình cố định các bon theo chu trình C4 do hai nhà khoa học là M.D. Hatch và C.R. Slack phát hiện ra vào năm 1960. Các thực vật cố định các bon theo chu trình này thường có lá dày và cứng như mía, ngô, kê, lúa mỳ, một số loại cỏ dại … Quá trình này được chia thành 2 giai đoạn và tiến hành ở lục lạp của hai loại tế bào khác nhau là tế bào bọc mạch và tế bào mô đồng hoá.
Hình II.17. Sự cố định Cacbon ỏ thực vật C4
* Giai đoạn 1 (giai đoạn cacboxyl hoá):
Giai đoạn này được thực hiện ở lục lạp của tế bào mô đồng hoá.
Đầu tiên, CO2từ khí quyển qua lỗ khí đi vào mô đồng hóa. Tại đây, axit phosphoenolpyruvic (PEP) nằm dưới dạng phosphopyruvat kết hợp với CO2 (dạng ion HCO3- do CO2 kết hợp với H2O ) tạo thành axit oxaloacetic (AOA) nằm dưới dạng oxaloacetat (có 4 các bon).
Tiếp đó, mỗi phân tử AOA bị khử bởi một phân tử NADPH2 để tạo thành axit malic (AM).
Có thể tóm tắt như sau: CO2 + H2O → HCO3- + H+
HCO3- + PEP → AOA
AOA + NADPH2 → AM + NDAP+
Sau đó, AM được chuyển vào lục lạp của tế bào bọc mạch để tiến hành giai đoạn 2
* Giai đoạn 2 (giai đoạn tổng hợp hydrat các bon):
Giai đoạn này được thực hiện trong lục lạp của tế bào bọc mạch.
Dưới tác dụng của enzyme đặc hiệu, AM biến đổi thành axit piruvic(AP) đồng thời tái tạo lại CO2 vàNADPH2.
Sau đó, AP lại quay trở lại tế bào mô đồng hoá và được phosphoryl hoá biến đổi thành PEP quay lại chu trình, còn CO2 đi vào chu trình C3.
AM + NADP+ → AP + CO2 + NADPH2
AP + ATP → PEP + AMP + 2Pi(ở mô đồng hoá).
Như vậy, chu trình C4 được thực hiện trên hai loại lục lạp của hai loại tế bào khác nhau và để cố định được một phân tử CO2, nó phải dùng tới 5 ATP trong khi thực vật C3
chỉ dùng hết 3ATP. Tuy nhiên, thực vật C4 chủ yếu sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, nơi có số giờ chiếu sáng trong ngày nhiều nên ATP dễ dàng được tạo ra theo nhu cầu của chu trình C4. Vì vậy, việc tiêu tốn nhiều ATP để có thể giảm bớt sự thoát hơi nước là biểu hiện thích nghi của các cây C4.