光合成では，光化学系が光のエネルギーを使ってNADPHとATPを生成し，生成したNADPHとATPを使ってカルビン回路が炭酸同化を行う．その中で鍵を握るのは，リブロース-1,5-ビスリン酸（RuBP）カルボキシラーゼ／オキシゲナーゼ（略称：ルビスコ）がカルボキシラーゼとして働き，1分子のCO₂と1分子のRuBPから2分子のホスホグリセリン酸（PGA）をつくる反応段階であり，これによって正に炭素が有機物に組み込まれる．多くの植物は，外界から吸収したCO₂を直接ルビスコでカルビン回路に取り入れている．CO₂がPGAという炭素3つの化合物（C₃化合物）に固定されることから，このような植物をC₃植物と言う．

　ルビスコは，カルボキシラーゼ反応の一方で，オキシゲナーゼとして酸素（O₂）とリブロース-1,5-ビスリン酸との反応も触媒する．乾燥した環境で気孔を十分に開けないなど，葉内CO₂濃度が低くなってしまうような状況の下では，オキシゲナーゼ反応が優先し，炭酸同化の効率が低下する．また温度が高く光が強い環境では，葉内CO₂濃度の不足に加えて，高温それ自体もオキシゲナーゼ反応を優越させ炭酸同化の効率を落とす要因となる．この問題を回避するために，C₄植物と呼ばれる植物群やベンケイソウ型酸代謝（CAM）植物と呼ばれる植物群は，CO₂の炭素をC₄化合物に固定する反応を利用している．この反応は，ルビスコではなく，ホスホエノールピルビン酸（PEP）カルボキシラーゼという酵素に触媒され，CO₂濃度が低いときにも効率よく進む．これらの植物では，一旦C₄化合物に固定した炭素を後でCO₂として取り出して，改めてルビスコの作用によりカルビン回路に取り入れる，という2段階で炭酸同化を行なっている．C₄植物はこの2段階を維管束鞘細胞と葉肉細胞とに，つまり空間的に分離しており，CAM植物は夜と昼とに，つまり時間的に分離している．