Hatch-Slack-Kortschak-Zyklus, HSK-Zyklus, C4-Säure-Zyklus, C4-Stoffwechselweg. Der C₄-Stoffwechselweg wurde bei zwei tropischen Gräsern, dem Mais und dem Rohrzucker, entdeckt, aber mittlerweise weiß man, dass er bei vielen Gramineen-Arten und einigen Arten verschiedener Dikotyledonen-Familien vorkommt. Pflanzen, die den C₄-Stoffwechselweg beschreiten (C4-Pflanzen), gedeihen optimal bei hohen Lichtintensitäten und Tagestemperaturen von 30-35°C. Charakteristisch für diese Pflanzen sind hohe Photosyntheseraten, große Wachstumsgeschwindigkeiten, geringe Wasserverlustraten, niedrige Photorespiration und eine ungwöhnliche Blattstruktur.
Der erste Hinweis, dass sich die photosynthetische CO₂-Fixierung bei C₄-Pflanzen von der bei anderen Pflanzen (C₃-Pflanzen) unterscheidet, ergab sich 1965 aus Kortschaks Entdeckung, dass Zuckerrohrblätter bei einer Photosynthese in 14CO₂ als erste markierte Verbindungen die C₄-Carbonsäuren D-Maleinsäure und L-Asparaginsäure bilden. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass CO₂ zuerst mit einer C₃-Verbindung reagiert und eine C₄-Dicarbonsäure bildet, die eine "C4-Transcarboxylierungsreaktion" mit einem Akzeptormolekül eingeht, wobei eine C₃-Verbindung und [1-¹⁴C]3PGA gebildet werden, welches in Triose und Hexosephosphate überführt wird. Die Transcarboxylierungsreaktion konnte jedoch nicht gefunden werden und es wurde schließlich entdeckt, dass die C4-Carboxylgruppe der C₄-Carbonsäure in einer Decarboxylierungsreaktion als CO₂ entfernt wurde, das dann mit Hilfe von Ribulosediphosphat-Carboxylase (Rubisco) in 3PGA fixiert wurde. Diese beiden Carboxylierungsreaktionen finden in C₄-Pflanzen räumlich getrennt statt. Die erste Reaktion, die Phosphoenolpyruvat(PEP)-Carboxylase-katalysierte Umwandlung von CO₂ und PEP in Oxalacetat, spielt sich im Cytoplasma der Mesophyllzellen ab, während die zweite Reaktion, die Rubisco-katalysierte Überführung von CO₂ und D-Ribulose-1,5-diphosphat in 3PGA im Chloroplastenstroma der Leitbündelzellen vonstatten geht. Die Decarboxylierungsreaktion ereignet sich ebenfalls in den Leitbündelzellen.
Der Mechanismus des C₄-Stoffwechsels stimmt bei allen C₄-Pflanzen weitgehend überein. Bezüglich der Decarboxylierungsreaktion sind jedoch drei Varianten möglich:
L-Maleinsäure + NADP⁺ → CO₂ + Pyruvat + NADPH + H⁺ (1)
L-Maleinsäure + NAD⁺ → CO₂ + Pyruvat + NADH + H⁺  (2)
Oxalacetat + ATP → CO₂ + Phosphoenolpyruvat + ADP  (3)
Der C₄-Stoffwechsel von Pflanzen der Gruppe 1 (NADP-Malatenzym; Gl. 1) wird in der Abb. dargestellt. Durch die offenen Stomata der Blätter strömt Luft in den weiten interzellulären Raum ein und umgibt die Mesophyllzellen. Das CO₂ dringt zum Cytoplasma dieser Zellen vor, dissoziiert und wird, vermutlich unterstützt durch die Carbo-anhydrase (EC 4.2.1.1), ionisiert (A, Abb.). Das gebildete HCO

wird von der PEP-Carboxylase (EC 4.1.1.31; B, Abb.) dazu verwendet, PEP zu Oxalat zu carboxylieren (Gl. 4). Im Gegensatz zu Rubisco setzt die PEP-Carboxylase HCO

und nicht CO₂ als Carboxylierungssubstrat ein.
HCO

+ PEP → Oxalat + H₃PO₄ (4)
Bis zu diesem Punkt ist der Stoffwechselweg für alle drei Gruppen der C₄-Pflanzen gleich alle führen eine schnelle Umwandlung von Oxalat, Malat und Aspartat durch. Bei den Pflanzen der Gruppe 1 geht das Oxalat in die Mesophyllchloroplasten über. Dort wird es mit Hilfe der NADP-abhängigen Malat-Dehydrogenase (EC 1.1.1.82; C, Abb.), einem lichtaktivierten Enzym, zu Malat reduziert. Dazu wird NADPH verwendet, das während der Lichtphase der Photosynthese erzeugt wird. Das Malat wandert dann von den Chloroplasten der Mesophyllzellen zu jenen der Leitbündelzellen, vermutlich über das Cytoplasma der Plasmodesmata, die die beiden Zellarten miteinander verbinden. Anschließend wird das Malat durch das NADP-abhängige Malatenzym (Gl. 1; D, Abb.) decarboxyliert. Das gebildete CO₂ dient der Rubisco (E, Abb.) als Substrat, tritt in den Calvin-Zyklus ein und wird in ein photosynthetisches Produkt überführt. Das Pyruvat aus dieser Reaktion geht von den Leitbündelchloroplasten zurück zu den Mesophyllchloroplasten, vermutlich über das Cytoplasma der verbindenden Plasmodesmata. Es wird mit Hilfe des lichtaktivierten Enzyms Pyruvat/Orthophosphat-Dikinase (EC 2.7.9.1), das in der Lichtphase der Photosynthese (Gl. 5; I, Abb.) erzeugtes ATP verwendet, zurück in PEP überführt. Diese Reaktion wird durch die schnelle, exergone Hydrolyse von Pyrophosphat zu Orthophosphat durch die Pyrophosphatase (EC 3.6.1.1; J, Abb.) in Richtung PEP-Synthese verschoben.

Pyruvat + ATP + P_I → PEP + AMP + PP_i (5)

Das nach Gl. 5 gebildete AMP wird durch die Adenylat-Kinase (EC 2.7.4.3; K, Abb.) auf Kosten von ATP phosphoryliert. Die gebildeten zwei ADP-Moleküle werden während der Lichtphase der Photosynthese zurück in ATP überführt. Das NADPH, das in den Leitbündelchloroplasten gebildet wird, wenn Malat decarboxyliert wird (Gl. 1; D, Abb.), wird dazu verwendet, den Calvin-Zyklus anzutreiben. Das Photosyntheseprodukt des Calvin-Zyklus, das Dihydroxyacetonphosphat (DiHOAcP), wird von den Leitbündelchloroplasten in das Cytoplasma transportiert, wo es in Saccharose überführt (Calvin-Zyklus, Abb. 1) und anschließend zu den wachsenden Teilen der Pflanze exportiert wird.
Man nimmt an, dass die C₄-Photosynthese eine evolutionäre Anpassung darstellt, die es den Pflanzen erlaubt, unter heißen, trockenen Bedingungen gut zu gedeihen. C₄-Pflanzen können den Wasserverlust über ihre Stomata reduzieren, da diese einen höheren Widerstand gegen Gasdiffusion haben. Als Konsequenz daraus verläuft der CO₂-Konzentrationsgradient zwischen der Luft auf der Außenseite des Blatts und dem interzellulären Raum, der die Photosynthesezellen umgibt, viel steiler als bei C₃-Pflanzen. Die CO₂-Konzentration ist in den Mesophyllzellen viel kleiner als bei C₃-Mesophyllzellen. Bei einer solch niedrigen CO₂-Konzentration ist Rubisco [K_m(CO₂) ~ 10 μM] kein adäquater Katalysator für die Carboxylierungsreaktion in C₄-Mesophyllzellen. Dieses Problem wurde durch die Verwendung von PEP-Carboxylase gelöst, die eine viel höhere Affinität zu CO

besitzt und eine Reaktion katalysiert (Gl. 4), die im wesentlichen irreversibel verläuft, da die Spaltung der enolischen Phosphatbindung stark exergonisch ist (ΔG⁰' der PEP-Hydrolyse = -61,9kJ·mol^-1). Auf diese Weise wird CO₂ in eine C₄-Dicarbonsäure eingebaut, die anschließend in die Leitbündelzellen übertragen wird. Innerhalb der Leitbündelzellen wird CO₂ durch Decarboxylierung freigesetzt und in einer Höhe konzentriert, die für eine adäquate Funktion von Rubisco nötig ist. Ein weiterer Vorteil der Konzentrierung von CO₂ in den Leitbündelchloroplasten liegt darin, dass die Oxygenaseaktivität von Rubisco erniedrigt wird (CO₂ ist ein kompetitiver Inhibitor der Oxygenaseaktivität von Rubisco), wodurch die Geschwindigkeit des verschwenderischen Prozesses der Photorespiration beträchtlich erniedrigt wird. Letzteres kompensiert die anscheinend niedrigere Effizienz der C₄-Photosynthese (5ATP und 2NADPH werden benötigt, um 1 CO₂ zu fixieren) gegenüber der C₃-Photosynthese (3ATP und 2NADPH werden benötigt, um 1CO₂ zu fixieren).

Hatch-Slack-Kortschak-Zyklus. Der C₄-Stoffwechselweg von solchen Pflanzenarten, die zur Katalyse der Decarboxylierungsreaktion das NADP-abhängige Malatenzym verwenden.
OAA = Oxalacetat; Mal = Malat; Pyr = Pyruvat; PEP = Phosphoenolpyruvat; 3PGA = 3-Phosphoglycerinsäure; 1,3-bPGA = 1,3-Diphosphoglycerat; 3PGAld = 3-Phosphoglyceraldehyd; DiHOAcP = Dihydroxyacetonphosphat; P_i = anorganisches Orthophosphat; PP_i = anorganisches Pyrophosphat; A = Carboanhydrase; B = PEP-Carboxylase; C = NADP-Malat-Dehydrogenase; D = NADP-Malatenzym; E = Ribulosediphosphat-Carboxylase; F = Phosphoglycerat-Kinase; G = 3-Phosphoglyceraldehyd-Dehydrogenase; H = Triosephosphat-Isomerase; I = Pyruvat/Orthophosphat-Dikinase; J = Pyrophosphatase; K = Adenylat-Kinase; Sterne markieren lichtaktivierte Enzyme.