В результате образуется щавелево-уксусная кислота (ЩУК), в которой содержится четыре атома углерода. Такое присоединение СО2 получило название «С4-пути». Эта кислота преобразуется в яблочную (в некоторых случаях в аспарагиновую), а последняя затем подвергается трансдекарбоксилированию. При этом С02 отщепляется и вступает в цикл Кальвина, присоединяясь к рибулозодифосфату. Следовательно, С4-путь включает две реакции карбоксилирования, что позволяет растениям создавать определенные запасы углерода в клетках. Растения, осуществляющие фотосинтез по С4-пути, имеют два типа хлоропластові крупные пластиды, часто лишенные гран в клетках обкладки, окружающих сосудистые пучки мелкие гранальные пластиды в клетках мезофилла листа.

Карбоксилирование фосфоенолпировиноградной кислоты осуществляется в клетках с мелкими хлоропластами. Образовавшаяся щавелево-уксусная кислота передвигается в клетки обкладки, где протекает реакция транскарбоксилирования и С02 вступает в цикл Кальвина. Ю. С. Карпилов назвал этот путь кооперативным, поскольку в нем принимают участие два типа клеток и два типа хлоропластов.

Фотосинтетическая фиксация углерода у синезеленых водорослей осуществляется по Сз-пути с участием рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы (РДФК) Но в отличие от растений водоросли обладают активным транспортным механизмом, позволяющим накапливать неорганический углерод внутри клетки в концентрации, которая превышает концентрацию углерода во внешней среде. У высших растений РДФК находится в растворенной форме в строме хлоропластов, а у синезеленых водорослей большая часть РДФК локализована в паракристаллических полиэдральных телах — карбоксисомах.

Опыты с использованием меченого углерода у Апаcystis nidulans показали, что на начальных стадиях он включался в аспартат и глутамат, а затем в аланин, треонин, изолейцин и глицинсерин, что характерно для С4-пути фотосинтеза. При выдерживании культуры A. nidulans в условиях фотоокисления (яркий свет, низкая температура) происходят потеря фотосинтетических пигментов (хлорофилла а, фикоцианина, каротиноидов) и обесцвечивание клеток, а также деградация мембран тилакоидов. Инактивация фотосистемы I происходит быстрее по сравнению с фотосистемой П-Уменьшение активности фотосистемы I шло параллельно с потерей клетками пигментов, вплоть до полной их потери. После перенесения культур в оптимальные условия роста происходил ресинтез пигментов и восстановление структуры фотосинтетического аппарата. Активность фотосистем I и II нормализовалось одновременно.

Клетки Chlamydomonas reinhardtii, как и другие одноклеточные водоросли, обладают системой концентрирования С02, обеспечивающей эффективную фотосинтетическую ассимиляцию этого субстрата при низких концентрациях его в среде. Эта система, будучи энергозависимой, запускается в действие на свету и включает насыщаемый компонент транспорта неорганического углерода, вероятнее всего, электрогенный транспорт гидрокарбоната с участием карбоангидразы.

Показательно, что в клетках A. nidulans, выращенных при высоких интенсивностях света, когда отношение хлорофилла к фикоцианину равно 1 : 3, преобладающее количество углекислоты фиксируется через цикл Кальвина, а в клетках, выращенных при слабом освещении или на красном свету, когда содержание фикоцианина увеличивается, С02 фиксируется по С4-пути. Активность малатдегидрогеназы и рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы в этих условиях уменьшается, а активность фосфоенолпируваткарбоксилазы увеличивается. Основными первичными продуктами являются аспартат, глицин и серии, и содержание метки из С02 в них увеличивается при инкубации клеток в атмосфере азота и переносах их из темноты на свет. У Anabaena flosaquae, Anacystis nidulans, Oscillatoria sp. активность фосфоенолкарбоксилазы в 1,5—5 раз выше, чем активность рибулозодифосфаткиназы, т. е. за счет С4-пути эти водоросли могут фиксировать 65—70 % С02. У Spirulina platensis обнаружены как фосфоенолпируваткарбоксилазы, так и рибулозодифосфаткарбо-ксилазы, что свидетельствует о фиксации углерода по Сз- и С4-пути.

Фотосинтетическое выделение О2 интактными клетками синезеленых водорослей зависит от поверхностного заряда мембран, регулирующих стыковку пластоцианина с реакционными центрами фотосистемы I.

У облигатно-ацидофильной одноклеточной водоросли Cyanidium caldarium скорость фотосинтетического выделения кислорода зависит от рН среды и формы неорганического углерода. При низком содержании неорганического углерода (0,03 мМ) максимум фотосинтеза наблюдался в нейтральной области рН; при высоком (0,6 мМ) — фотосинтез не зависит от рН в области величин 3—7 и падает до 0 при повышении рН до 9. Длительная инкубация клеток при рН 7 прекращает рост, приводит к падению скорости фотосинтеза через 1 сут на 50 %.

В общей зависимости интенсивности фотосинтеза от степени освещения у разных водорослей имеются определенные отличия. У зеленых, синезеленых и одноклеточных зеленых водорослей показатель интенсивности протекания фотосинтеза, определяемый как отношение числа молей выделяемого 02 к числу молей поглощаемого С02 зависит от количества поглощенного С02 в темновой фазе, предшествующей световому периоду. А именно, величина интенсивности протекания фотосинтеза тем больше, чем больше количество поступившего в клетки С02. На постоянном свету во время светового периода скорость поглощения клетками С02, как правило, возрастает со временем, хотя скорость выделения 02 при этом снижается. Очевидно, поглощаемый в темноте С02 сохраняется для использования в фотосинтезе в следующих за темновой фазой периодах освещения. Такая способность особенно важна для водорослей, обитающих в мало забуференных пресных водах, обычно содержащих низкие концентрации С02. Установлено, что разные виды Chlorella по-разному утилизируют неорганический углерод. Так, клетки Ch. vulgaris и Ch. miniata в основном используют в качестве источника углерода С02, в то время как Chlorella sp. и Ch. ellipsoidea кроме С02 дополнительно поглощают НСО-. Способ утилизации углерода этими клетками не зависит от концентрации в среде С02 во время их роста. Напротив, клетки Ch. pyrenoidosa, выращенные в среде с 1,5 % С02, т. е. обогащенные С02, фиксировали главным образом С02, но при замене С02 воздухом использовали наряду с С02 и HCO3.

Кроме того, фиксация С02 может осуществляться путем использования восстановительного цикла карбоновых кислот. Так, у Anacystis nidulans при снижении концентрации С02 до 0,03 % возрастает активность ряда ферментов цитратсинтазы, аконитатгидратазы, изоцитратдегидрогеназы и глутаматдегидрогеназы.

Изучение первичных продуктов фотосинтеза с помощью изотопного метода у нитчатой цианобактерия Anabaena cylindrica показало, что через 5 с 90—95 % 14С включалось в промежуточные продукты цикла Кальвина и только 1—4 % присутствовало в С4- дикарбоновой кислоте, аспартате. Ингибиторы ФЕП-карбоксилазы не влияли на скорость 14С02-поглощения. Это говорит о том, что в основном поглощение углекислоты идет за счет РДФ-карбоксилазы. ФЕП-карбоксилаза, хотя и присутствует в клетках, не играет такой роли, как в С4-растениях. Скорее, она служит дополнительным источником углеродного скелета для биосинтеза аминокислот.