Ribulosodiphosphate không phải là chất nhận CO2 duy nhất cho phản ứng đầu tiên của sựđồng hoá CO2. Ở một số loài thực vật, đặc biệt ở
loài cây họ cỏ nhiệt đới (ngô, cao lương, mía) chất nhận CO2 là phosphoenolpyruvate (PEP). Quá trình bắt đầu bằng phản ứng kết hợp
HCO3- vào PEP. Bằng cách này nhờ enzyme PEP-carboxylase, một hợp chất 4C- oxaloaxetic acid, được tạo thành.
Nhưđã chỉ ra ở sơđồ, HCO3- được tách ra thành 1 gốc hydroxyl và 1 gốc carboxyl. Gốc hydroxyl phản ứng với gốc phosphoryl của PEP để
tạo nên phosphate vô cơ (H3PO4). Gốc carboxyl kết hợp với chất có 3C (PEP) để tạo nên chất có 4C (oxaloaxetic acid).
Hình 4.12 Sựđồng hoá CO2 theo chu trình C4 nhờ enzyme PEP-carboxylase
Phản ứng này giải phóng năng lượng, vì liên kết cao năng trong PEP
đó tiếp tục bị khử để tạo thành malate hoặc bị amin hoá để tạo thành aspartate. Vì trình tự phản ứng này chứa những hợp chất có 4C, nên sự đồng hoá CO2 nhờ PEP-carboxylase được gọi là chu trình C4. Những loài thực vật mà đồng hoá CO2đầu tiên bằng con đường này, được gọi là thực vật C4 ngược với thực vật C3, là những cây đồng hoá trực tiếp CO2 qua chu trình Calvin. Trình tự phản ứng của chu trình C4 được chỉ ra ở hình 4.12.
Phản ứng 1: HCO3- được kết hợp với PEP tạo thành oxalacetate. Phản ứng này được xúc tác bởi enzyme PEP-carboxylase.
Phản ứng 2: Oxalacetate bị khử tạo thành malate nhờ NADPH Phản ứng 3: Oxalacetate được biến đổi thành aspartate bằng phản
ứng chuyển amin hoá.
Phản ứng 4: Nhờ các malatenzyme mà malate bị khử carboxyl hoá và oxy hoá để tạo nên pyruvate. CO2được giải phóng ra do khử cacboxyl hoá được đưa đến chu trình Calvin.
Phản ứng 5: Pyruvate được biến đổi trở lại thành PEP bằng phản
ứng khử carboxyl hoá. Phản ứng cần ATP và photphate vô cơ.
ATP được tách ra thành AMP và pyrophosphate. Phản ứng này có một giá trị âm ΔG01 cao, nên phản ứng xảy ra nhanh dẫn đến chất nhận CO2 là PEP được tạo ra nhiều. Enzyme xúc tác gọi là pyruvate-phosphat- dikinase, nó gắn vào enolpyruvate theo phản ứng dưới đây:
Trao đổi CO2 của thực vật C4 được hiểu khi người ta chia ra những quá trình riêng lẽở những mô lá khác nhau và nhận biết ở những vị trí của tế bào. Phần lớn những thực vật C4 có kiểu giải phẩu Kranz đặc trưng, một khái niệm đã được Haberlandt (1904) đề nghị. Ởđây là những tế bào xanh bao quanh bó mạch ở dạng xoắn kép xếp sát xung quanh những tế
bào bó mạch, trong khi đó những tế bào mesophyll nhỏ hơn sắp xếp lỏng lẻo hơn (hình 4.13).
Hình 4.13 Sự sắp xếp của các tế bào thịt lá và các tế bào bó mạch ở cấutrúc Kranz của thực vật C4
Trong những tế bào mesophyll CO2 được đồng hoá nhờ PEP- carboxylase và oxaloacetate được tạo ra bị biến đổi thành malate hoặc aspartate. Những tế bào mesophyll của thực vật C4 không chứa RuDP- carboxylase. Sản phẩm đồng hoá là malate và aspartate, ở loài này là malate và loài kia là aspartate, được vận chuyển qua gian bào đến các tế
bào bao quanh bó mạch. Ở đây chúng được khử carboxyl hoá. Pyruvate xuất hiện lại trở về tế bào mesophyll. Quá trình này xảy ra ở hai loại tế bào và được chỉ ra ở hình 4.14.
Hình 4.14 Sự tổng hợp PEP, phản ứng carboxyl hoá, phản ứng khử
oxaloacetate ở tế bào thịt lá, sự khử carboxyl hoá và chu trình Calvin xảy ra
Ở loại cây “malate” pyruvate được tạo nên trực tiếp từ malate bằng cách khử carboxyl hoá oxy hoá.
Ở phản ứng do malat-enzyme xúc tác bên cạnh CO2 còn tạo nên NADPH, là chất cần trong chu trình Calvin. Với malate không những các nguyên tử C mà còn cả chất khửđược vận chuyển đến chu trình Calvin. Ở
loại cây “aspartate” aspartate được khử carboxyl hoá để tạo thành alanine. Alanine được biến đổi thành pyruvate nhờ phản ứng chuyển amin hoá. Phản ứng chuyển amin hoá xảy ra trong tế bào chất của tế bào thịt lá. Alanine được vận chuyển từ tế bào bao quanh bó mạch trở về tế bào thịt lá.
Sự phân chia các phản ứng riêng lẽ ở tế bào chất và lục lạp của tế
bào thịt lá tương ứng với tỷ lệ năng lượng. Sự phân chia này được giải thích trong hình 4.15.
Pyruvate được đưa vào tế bào thịt lá phải chui vào lục lạp của tế bào này, vì ở đây có mặt của enzyme pyruvat-phosphate- dikinase và ATP, ATP này được tạo nên từ quang hợp. PEP tạo nên trong lục lạp được vận chuyển ra tế bào chất bằng sự trao đổi với phosphat vô cơ. Ở đây PEP cùng với CO2 là cơ chất của enzyme PEP-carboxylase. Oxalacetat được
tạo nên đi vào lục lạp rồi bị khử thành malate nhờ NADPH. ATP và NADPH được tạo ra trong lục lạp là nhờ quá trình quang hợp.
Hình 4.15 Sự vận chuyển năng lượng và carbon giữa lục lạp và tế bào chất của tế bào thịt lá ở thực vật C4
Malate sau đó được vận chuyển đến tế bào bao quanh bó mạch. Tế
bào thịt lá và tế bào bao quanh bó mạch chứa những lục lạp có hình thái khác nhau: Lục lạp của tế bào bao quanh bó mạch lớn hơn và không có grana và tích luỹ tinh bột. Lục lạp của tế bào thịt lá nhỏ hơn và luôn luôn chứa grana.
Ưu điểm của sự đồng hoá CO2 ở thực vật C4 là enzyme PEP- carboxylase có trong tế bào chất tiếp nhận CO2 có trong mô lá và CO2 từ
quá trình hô hấp tốt hơn sự tiếp nhận CO2ở thực vật C3, vì ở thực vật C3 CO2 trước hết phải chui vào lục lạp. Tương ứng điểm bù CO2 của thực vật C4 cơ bản là thấp hơn ở thực vật C3, nằm trong khoảng 0,5-1μl/LCO2,
điểm bù CO2 của thực vật C3 nằm trong khoảng 3-5 μl/LCO2. Người ta hiểu điểm bù quang hợp là nồng độ CO2 mà ởđó không có sự tích luỹ chất hữu cơ. Thực vật C4 có khả năng giảm nồng độ CO2 ở trong mô lá mạnh hơn thực vật C3. Vì vậy chúng có khả năng sử dụng CO2 trong không khí có hiệu quả hơn.
Hơn nữa một nồng độ CO2 cao được tạo ra trong tế bào bao quanh bó mạch nhờ quá trình khử cacboxyl hoá. Nhờ vậy mà điểm bão hoà CO2
của RuDP-carboxylase gần đạt được và hoạt tính oxygenase của enzyme bịức chế. Vì vậy thực vật C4 có khả năng sử dụng tốt ánh sáng có cường
độ cao. Vì lý do này mà ở chúng thực tế không có điểm bão hoà ánh sáng.
Đặc điểm này được thể hiện trên hình 4.16. Ở đây đường cong đồng hoá CO2 của hai cây trồng C4 là mía và ngô tăng cao hơn đường cong của thực vật C3.
Hình 4.16 Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến sựđồng hoá CO2ở một số
cây trồng
Tuy nhiên thực vật C4 cần nhiều năng lượng cho sự đồng hoá CO2, vì hệ thống của chu trình C4 khởi động trước chu trình Calvin cần cho sự
kết hợp 1 phân tử CO2 hai phản ứng phosphoryl hoá (tạo nên hai liên kết cao năng) để tổng hợp nên ATP từ AMP theo phương trình sau:
AMP + ATP → 2ADP
2 ADP + 2 phosphate → 2ATP (quang phosphoryl hoá) --- Tổng quát: AMP + 2 phosphate → 2ATP
Phần lớn những loài thực vật C4 có nguồn gốc từ những vùng có cường độ ánh sáng mạnh, vì vậy ATP được tạo nên nhiều nhờ quang phosphoryl hoá. Đối với sựđồng hoá CO2 thì cường độ ánh sáng là yếu tố
ít hạn chế hơn so với nồng độ CO2. Điều đó cũng dễ hiểu là trong quá trình tiến hoá một số loài thực vật phát triển một cơ chếđồng hoá CO2, cơ
nghi này là enzyme pyruvate-phosphate-dikinase mẫn cảm khi nhiệt độ
thấp. Ví dụởđiều kiện khí hậu Trung châu Âu trong mùa xuân thể hiện sự
ngừng phát triển và sự vàng lá của ngô, trong khi đó các loài ngũ cốc khác (lúa mỳ, lúa mạch, yến mạch, kiều mạch) phát triển tốt, chủ yếu là do sự
mẫn cảm của enzyme pyruvate-phosphate-dikinase với nhiệt độ thấp. Khi thời tiết ấm lên thì ngô bắt đầu phát triển với tốc độ nhanh, vượt nhiều so với thực vật C3. Tốc độ phát triển nhanh là do sự đồng hoá CO2 có hiệu quả, một phần cũng do ở thực vật C4 sự mất mát sản phẩm đồng hoá do hô hấp sáng thấp hơn sự mất mát ở thực vật C3.
Cấu tạo giải phẩu kiểu Kranz của tế bào lá cũng có một ý nghĩa đối với trao đổi nước. Những tế bào xếp sát bó mạch có sự trao đổi khí thấp hơn và như vậy có sự mất nước ít hơn do thoát hơi nước. Điều này giải thích tại sao thực vật C4 có nhu cầu nước tương đối thấp hơn.