Pada sebagian besar tumbuhan C3, fiksasi karbon awal melalui Rubisko, enzim siklus Calvin yang menambahkan CO2 pada Ribulosa bifosfat. Produk fiksasi karbon organik yang pertama adalah senyawa berkarbon tiga contoh tanamannya adalah kedelai, oat dll. Tumbuhan C4 merupakan tumbuhan yang mendahului siklus Calvin dengan fiksasi cara lain yang membentuk senyawa berkarbon empat sebagai produk pertamanya, contoh tanamanya adalah suku rumput-rumputan seperti jagung (Zea mays), tebu (Sacharum Sp), rumput teki (Cyperus rotundus) dll. Sedangkan tumbuhan CAM (crassulacean acid metabolism) merupakan tumbuhan yang membuka stomata pada malam hari dan menutupnya pada siang hari, misalnya tanaman nanas (Annanas comosus).
Anatomi daun pada tanaman C4 dan C3 terdapat perbedaan yang unik, berkaitan dengan mekanisme fotosintesisnya. Pada tanaman C4 terdapat dua jenis sel fotosintetik yang berbeda yaitu sel seludang-berkas pembuluh dan sel mesofil.
Pada siklus Calvin terbatas pada kloroplas seludang berkas pembuluh, akan tetapi siklus calvin didahului oleh masuknya CO2 ke dalam senyawa organik dalam mesofil. Langkah pertama ialah penambahan CO2 pada fosfoenolpiruvat (PEP) oleh enzim PEP karboksilase sehingga menghasilkan oksaloaetat. PEP karboksilase memiliki afinitas lebih tinggi terhadap CO2 dibandingkan dengan ribisko sehingga CO2 yang difiksasi lebih efisien bahkan dalam keadaan panas dan kering dan stomata menutup sebagian.
Setelah tumbuhan melakukan C4 memfiksasi CO2, sel mesofil mengirim keluar produk berkarbon ematnya ke seludang berkas pembuluh melalui plasmodesmata. Dalam sel seludang berkas pembuluh, senyawa berkarbon empat melepaskan CO2, yang disimilasi ulang ke dalam materi organik oleh rubisco dan siklus Calvin.
Akibatnya, sel mesofil tumbuhan C4 memompa CO2 ke dalam seludang berkas pembuluh, mempertahankan konsentrasi CO2 dala sel seludang berkas pembuluh cuku tinggi agar rubisko dapat menerima karbondioksida, bukan oksigen. Dengan cara ini fotosintesis meminimalkan fotorespirasi dan meningkatkan produksi gula.
Tumbuhan CAM
Menutup stomata pada siang hari membantu tumbuhan CAM menghemat air dan mencegah CO2 memasuki daunnya. Selama malam hari tumbuhan membuka stomatanya, tumbuhan mengambil CO2 dan memasukannya ke dalam asam organik dan disimpan dalam vakuola. Cara ini sering dikenal sebagai CAM atau metabolisme asam krasulase.
Pada tumbuhan CAM akan memfiksasi CO2 pada malam hari dan selanjutnya akan menutup stomata pada siang hari untuk menghindari penguapan air. Pada malam hari atau tanpa cahaya karbon dioksida dan air (H2O) akan berubah menjadi HCO3- dengan melepaskan H+. HCO3- ini akan di ubah menjadi oksaloasetat (OOA) oleh enzim PEP karboksilase. Selanjutnya dengan mengambil ion H+ dari NADH akan menjadi malat kemudian disimpan dalam vakuaola menjadi asam organik yaitu asam malat sehigga pH pada vakuola turun.
Pada siang hari atau ketika ada cahaya asam organik akan diubah kembali menjadi malat dan dengan bantuan enzim malat serta NADPH, malat tersebut diubah kembali menjadi piruvat dan CO2 yang sangat penting dalam siklus Calvin.
Fotorespirasi pada tumbuhan terjadi dalam cahaya (foto) dan mengkonsumsi O2 (respirasi). Fotorespirasi tidak menghasilkan ATP maupun makanan, justru menurunkan keluaran fotosintesis dengan menyedot bahan organik dari siklus Calvin.
Pada tanaman yang mendorong terjadinya fotorespirasi adalan hari yang panas, kering, dan terik, intinya kondisi yang menyebabkan stomata menutup. Fotorespirasi akan diminimalisir oleh tumbuhan fotosintesis C4 dan CAM.
