绿色植物和光合细菌通过光合磷酸化作用将月光能转变成化学能，即NADPH的还原能和ATP的水解能，并以此促进二氧化碳还原成糖。二氧化碳的固定和还原主要通过光合循环，即Calvin循环。由于它的最初产物是3-磷酸甘油酸，是含三碳的化合物，因此又称三碳循环。后来又发现某些热带和亚热带起源的植物中还存在着另一个固定二氧化碳的途径，称为四碳循环。
一、三碳循环（Calvin循环）
1940年Melvin CalVin在单细胞绿藻中作14CO2示踪实验。在几秒钟光照后，用乙醇停止酶的反应，以双向纸层析分离放射性产物，发现C-14标记在3-磷酸甘油酸的羧基上，进一步研究发现CO2与1,5-二磷酸核酮糖缩合成6碳化合物，然后迅速裂解形成二分子3-磷酸甘油酸。催化这反应的酶是1,5-二磷酸核酮糖羧化酶—合氧酶(ribulose disphosphate carboxylase oxygenase 缩写为rubisco)。这个酶位于类囊膜上朝基质一侧。有8个56,000大亚基和8个14,000小亚基。每个大亚基上有催化和调节位点，小亚基的作用不清楚。在叶绿体中此酶的含量十分丰富，大约是总蛋白量的60％。可能它是自然界含量最丰富的酶。
三碳循环的步骤：
第一步是1,5-二磷酸核酮糖加CO2合成2-羧基3-酮基1,5-二磷酸核糖中间产物，然后水化形成二醇，在Ca上断裂产生一个3-磷酸甘油酸和一个负碳离子，后者再质子化形成另一个3-磷酸甘油酸，如下图所示： 
Rubisco酶催化机制是酶的特殊赖
氨酸上的ε-氨基加上CO2形成带负电的氨甲酰化合物，它可与二价金属Mg2+或Mn2+形成正电中心，在催化时它似乎作为电子穴起作用（如右图）。
从第二步到第八步3-磷酸甘油酸经一系列酶促反应转化成6-磷酸果糖，催化这一系列反应的酶与糖的异生途径相似，不过3-磷酸甘油醛脱氢酶在叶绿体中是以NADPH为辅基，而不是DADH。
从第九步到第十四步是再生1,5-二磷酸核酮糖的步骤，由一系列转酮酶和转醛酶催化这些反应，催化酶及反应式与戊糖途径类似。
最后是5-磷酸核酮糖在磷酸核酮糖（phosphoribulokinase）的催化下再生成1,5-二磷酸核酮糖，ATP是磷酰基的供体（反应如下图）。 
整体的由三碳原子化合物合成1,5-二磷酸核酮糖的过程示意如下图：
