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无论是原核生物还是真核生物，DNA的复制合成都需要单链DNA模板、DNA聚合酶、dNTP原料、引物和Mg 2+ 。DNA聚合酶催化脱氧核苷酸以3'，5'-磷酸二酯键连接合成DNA，合成方向为5′→3′，合成反应可表示如下：
DNA聚合酶催化的反应本身可逆，但因与不可逆的焦磷酸水解反应相偶联而不可逆。体外实验DNA聚合酶可以催化DNA焦磷酸解生成dNTP。
原核生物基因组DNA呈共价闭合环状，复制过程比真核生物简单。现以大肠杆菌K-12株为例介绍原核生物DNA的复制。复制可分为起始、延伸、终止三个阶段：起始阶段在复制起点由解链、解旋酶类解链形成复制叉，组装复制体。延伸阶段复制体募集引物酶合成RNA引物，募集DNA聚合酶合成前导链和后随链冈崎片段，募集DNA连接酶连接冈崎片段，最终形成连环体。终止阶段连环体解离。各种原核生物DNA的复制机制基本一致，细节会有区别。
大肠杆菌DNA的复制是由30多种酶和其他蛋白质共同完成的，主要有DNA聚合酶、DNA解链、解旋酶类、引物酶和DNA连接酶等。
DNA聚合酶 （DNA polymerase，POL）全称依赖于DNA的DNA聚合酶（DNA-dependent DNA polymerase，DDDP），又称DNA复制酶，催化dNTP合成DNA的反应。
1. DNA聚合酶催化特点 DNA聚合酶活性中心需要两个Mg 2+ ，催化的合成反应有以下特点。
（1）需要模板：DNA聚合酶催化的反应是DNA复制，即合成单链DNA的互补链，该单链DNA被称为模板。
在中心法则中， 模板 （template）是指可以指导合成互补链的单链核酸。模板可以是DNA或RNA，其指导合成的单链核酸可以是DNA或RNA。DNA模板指导DNA合成称为 DNA复制 ，DNA模板指导RNA合成称为 转录 ，RNA模板指导RNA合成称为 RNA复制 ，RNA模板指导DNA合成称为 逆转录 。
（2）需要引物：DNA聚合酶不能催化两个dNTP形成3'，5'-磷酸二酯键，只能催化一个dNTP的5'-α-磷酸基与一段（或一股）核酸的3'-羟基形成3'，5'-磷酸二酯键，并且这段核酸必须与模板DNA互补结合。这段核酸称为 引物 （primer），其3'端称为 引物末端 （primer terminus）。引物可以是DNA，也可以是RNA。引导大肠杆菌DNA复制的引物均为RNA。
（3）以5'→3'方向催化合成DNA：这是由DNA聚合酶的催化机制决定的。DNA合成的基本反应是由引物或新生链的3'-羟基对dNTP的α-磷酸基发动亲核攻击，形成3'，5'-磷酸二酯键，并释放出焦磷酸（图2-6）。DNA双链是反向互补的，因而以5'→3'方向催化合成互补DNA是以3'→5'方向读取模板序列为基础的。
图2-6 3'，5'-磷酸二酯键形成机制
2.大肠杆菌DNA聚合酶种类 已鉴定的大肠杆菌DNA聚合酶有五种，分别用罗马数字编号，其中DNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的结构和功能研究得比较详尽（表2-1）。
（1） DNA聚合酶Ⅰ （Pol Ⅰ）：占大肠杆菌DNA聚合酶提取物总活性的90%以上，由A. Kornberg（1959年诺贝尔生理学或医学奖获得者）于1955年分离提纯和鉴定。DNA聚合酶Ⅰ是一种多功能酶，有三个不同的活性中心：5'→3'外切酶活性中心、3'→5'外切酶活性中心和5'→3'聚合酶活性中心。H. Klenow用枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）水解DNA聚合酶Ⅰ Thr323和Val324之间的肽键，得到两个片段。其中大片段称为 Klenow片段 （克列诺片段、克列诺酶），含3'→5'外切酶活性中心和5'→3'聚合酶活性中心；小片段含5'→3'外切酶活性中心（图2-7）。DNA聚合酶Ⅰ活性低，延伸能力弱，主要功能不是催化DNA复制合成，而是在复制过程中通过切口平移切除RNA引物，合成DNA填补 缺口 （gap）。此外，DNA聚合酶Ⅰ还参与DNA修复。
表2-1 大肠杆菌K-12株DNA聚合酶
注：*对于多酶复合体，这里仅列出聚合酶活性亚基的结构基因；**仅聚合酶活性亚基，DNA聚合酶Ⅱ与DNA聚合酶Ⅲ有共同亚基β、δ、δ′、χ、ψ
图2-7 大肠杆菌DNA聚合酶Ⅰ
（2）DNA聚合酶Ⅱ（Pol Ⅱ）：有5'→3'聚合酶活性中心和3'→5'外切酶活性中心，但没有5'→3'外切酶活性中心。DNA聚合酶Ⅱ的功能是参与DNA修复。
（3） DNA聚合酶Ⅲ （Pol Ⅲ）：是一种多酶复合体，全酶由核心酶、β夹子和γ复合物构成（表2-2，图2-8）。①核心酶（core enzyme）是αεθ三聚体，α亚基含5'→3'聚合酶活性中心，ε亚基含3'→5'外切酶活性中心，θ亚基可能起组装作用。②β夹子（β sliding clamp）是β 2 二聚体，与核心酶结合而赋予其最强的延伸能力。③γ复合物（γ complex，clamp loader complex）是七聚体，有τ 3 δδ'ψχ和γτ 2 δδ'ψχ两种。ψ亚基和χ亚基作用于单链DNA结合蛋白（39页），τ亚基N端及γ亚基N端（两者依赖ATP）和δδ'控制β夹子开合以夹住、释放DNA或在DNA上滑动，每个τ亚基C端还可以募集一个核心酶（因此DNA聚合酶Ⅲ复合体有两种，分别含有三个和两个核心酶）。DNA聚合酶Ⅲ活性最高，是催化DNA复制合成的主要酶。此外，DNA聚合酶Ⅲ还参与DNA修复。
τ亚基和γ 亚基是同一个基因编码的两种同源体，①完整翻译合成643aa的τ亚基，可募集核心酶或解旋酶。②翻译时如果核糖体发生 -1移码 ，就会由Glu置换431位的Ser，后面是终止密码子，不再翻译，合成的是431aa的γ亚基，不能募集核心酶或解旋酶（第四章，101页）。
表2-2 大肠杆菌K-12株DNA聚合酶Ⅲ亚基组成
图2-8 DNA聚合酶Ⅲ复合体结构模型
（4）DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ（Pol Ⅳ、Pol Ⅴ）：发现于1999年，功能是参与一类特殊的DNA修复（跨损伤合成）。其中DNA聚合酶Ⅳ又称跨损伤合成DNA聚合酶Ⅳ（translesion synthesis polymerase Ⅳ），DNA聚合酶Ⅴ又称UmuC蛋白，它们均参与 跨损伤合成 （translesion synthesis，跨损伤修复，translesion repair），如在复制过程中遇到模板上有损伤（嘧啶二聚体、AP位点）时，DNA聚合酶Ⅲ不能催化复制，可由DNA聚合酶Ⅳ和Ⅴ接替催化复制。
3.大肠杆菌DNA聚合酶活性中心与功能 大肠杆菌DNA聚合酶各个活性中心有不同的功能。
（1）5'→3'聚合酶活性中心与延伸能力：反映DNA聚合酶活性的动力学参数是其延伸能力和所催化反应的反应速度。DNA聚合酶在催化连接核苷酸时一直结合在新生链的3'端，一旦有dNTP进入活性中心并与模板碱基配对，便催化连接，这一特点称为DNA聚合酶的 延伸能力 （processivity），它通常定义为DNA聚合酶结合在新生链3'端可以连续催化连接的核苷酸数。不同DNA聚合酶的延伸能力有很大差别，DNA聚合酶Ⅳ结合一次只能连接1个核苷酸，DNA聚合酶Ⅲ结合一次至少可以连接50万个核苷酸，延伸能力最强。
（2）3'→5'外切酶活性中心与校对功能：DNA聚合酶的3'→5'外切酶（exonuclease）活性中心与5'→3'聚合酶活性中心相距约3nm，可以切除新生链3'端与模板形成错误碱基配对的核苷酸。该活性中心高度专一，只切除错配核苷酸。因此，在DNA合成过程中，一旦发生错配核苷酸连接，聚合反应立即中止，错配核苷酸进入3'→5'外切酶活性中心并被切除，然后聚合反应继续进行，这就是DNA聚合酶的 校对 （proofreading，又称编辑，editing）功能。
●核酸酶（nuclease） 包括专一降解DNA的 DNase 和降解RNA的 RNase ，可分为 核酸内切酶 （endonuclease，内切核酸酶）和 核酸外切酶 （exonuclease，外切核酸酶）。少数核酸内切酶和核酸外切酶只降解单链DNA。原核生物有一类只降解特定序列或其侧翼序列的核酸内切酶，称为 限制性内切酶 。
（3）5'→3'外切酶活性中心与切口平移：仅DNA聚合酶Ⅰ有5'→3'外切酶活性中心，而且只作用于双链核酸。因此，如果双链DNA中存在 切口 （nick），DNA聚合酶Ⅰ可在切口处催化两个反应：一个是水解反应，从5'端切除核苷酸，每次可连续切除约10个核苷酸；另一个是聚合反应，在3'端延伸合成DNA。结果反应过程像是切口在移动，故称 切口平移 （nick translation，图2-9）。在切口平移过程中被水解的可以是RNA引物，也可以是损伤DNA。
图2-9 切口平移
DNA聚合酶Ⅰ的切口平移作用有两个意义：①在DNA复制过程中切除后随链冈崎片段5'端的RNA引物，并合成DNA填补，即切除较早合成的冈崎片段1的RNA引物1，延伸合成较晚合成的冈崎片段2（图2-16、图2-17）。②参与DNA修复。此外，在核酸杂交技术中，DNA聚合酶Ⅰ常用于通过切口平移标记探针（第十二章，305页）。
DNA有超螺旋、双螺旋等结构，在复制时，作为模板的亲代DNA需要松弛螺旋，解开双链，暴露碱基，才能作为模板，按照碱基配对原则指导合成子代DNA。参与亲代DNA解链，并维持其解链状态的酶和其他蛋白质主要有DNA解旋酶、DNA拓扑异构酶和单链DNA结合蛋白。
1. DNA解旋酶（DNA helicase） 作用是解开DNA双链。解链过程需要通过水解ATP提供能量，每解开一个碱基对消耗一个ATP。目前在大肠杆菌中已经鉴定到解旋酶DnaB、Rep、Ⅱ、Ⅳ和RecB等至少13种DNA解旋酶，其中解旋酶DnaB沿单链模板5'→3'方向移动解链，参与DNA复制；解旋酶Rep、Ⅱ、Ⅳ沿单链模板3'→5'方向移动解链，参与错配修复；解旋酶RecB既可沿单链模板3'→5'方向移动解链，又可沿5'→3'方向移动解链，且有核酸外切酶活性，参与重组修复。
● 细菌、噬菌体、线粒体解链似刀削水果皮，解旋酶DnaB环绕单链。真核生物解链似拉链扣解拉链，解旋酶MCM与双链DNA结合，双链入，单链出。
解旋酶DnaB是 dnaB 基因产物，形成同六聚体环结构，有依赖DNA的ATP酶（ATPase）活性。在DNA复制过程中，解旋酶DnaB同六聚体环套在复制叉的后随链模板上（图2-17），沿5'→3'方向移动解链，解链过程中会在前方形成正超螺旋结构，由DNA拓扑异构酶松弛。
2. DNA拓扑异构酶（DNA topoisomerase） 在共价闭合环状DNA双螺旋中，两股链相互缠绕的次数称为 连环数 （linking number，Lk）。有相同一级结构、不同连环数的DNA分子称为 拓扑异构体 （topoisomer）。 DNA拓扑异构酶 （拓扑酶）由J. Wang和M. Gellert发现，其功能是催化DNA双螺旋3'，5'-磷酸二酯键的断裂和形成，改变其连环数，形成拓扑异构体。
例如，一个只有B-DNA结构的1100bp环状DNA有110个螺旋，即连环数为110；如果由DNA拓扑异构酶松弛10个螺旋，即连环数减至100，则可能成为A-DNA。松弛前后的两种结构互为拓扑异构体。
连环数不同的拓扑异构体压缩程度不同，则电泳速度不同，压缩程度越高泳动越快。连环数不同的拓扑异构体在琼脂糖凝胶电泳分析时形成梯状条带，连环数差值为1的异构体也可分离（图2-10）。
图2-10 拓扑异构体琼脂糖凝胶电泳图谱
大肠杆菌有四种DNA拓扑异构酶，分为两类，均参与DNA的复制、转录、重组及染色质重塑（表2-3）。
表2-3 大肠杆菌K-12株DNA拓扑异构酶
（1）Ⅰ型DNA拓扑异构酶：又称 转轴酶 （swivelase），有DNA拓扑异构酶1和DNA拓扑异构酶3两种，能松弛超螺旋，即在双链DNA的某一部位将其中一股切断（不是水解），在松弛超螺旋（改变连环数）之后再连接起来，使DNA呈松弛状态，反应过程不消耗ATP。Ⅰ型DNA拓扑异构酶改变连环数（ Lk ）的最小值是1。
Ⅰ型DNA拓扑异构酶的催化机制——两步转酯反应：①Ⅰ型DNA拓扑异构酶活性中心含酪氨酸残基（大肠杆菌DNA拓扑异构酶1为Tyr319，人为Tyr723），其羟基通过亲核攻击（酯交换）断开一股DNA特定的3'，5'-磷酸二酯键，形成切口。酪氨酸羟基以酯键与切口的5'-磷酸基结合。②另一股DNA穿过切口，使双链DNA改变一个连环数。③切口的3'-羟基通过亲核攻击取代酪氨酸羟基，重新与5'-磷酸基结合，形成3'，5'-磷酸二酯键（图2-11）。
图2-11 大肠杆菌Ⅰ型DNA拓扑异构酶催化机制
（2）Ⅱ型DNA拓扑异构酶：有DNA拓扑异构酶2（ DNA促旋酶 ，DNA gyrase）和DNA拓扑异构酶4两种，能在双链DNA的某一部位将两股链同时切断（不是水解），在松弛超螺旋或使连环体解离（或形成，43页）之后再连接起来，反应过程消耗ATP（在一个3000bp质粒中引入一个超螺旋大约需要耗能30kJ/mol）。此外，DNA促旋酶还可以在DNA中引入负超螺旋（减少连环数，约100个/分钟）。Ⅱ型DNA拓扑异构酶改变 Lk 的值均为偶数，最小值是2。
Ⅱ型DNA拓扑异构酶的催化机制：Ⅱ型DNA拓扑异构酶是A 2 B 2 四聚体，其中A亚基含切接活性中心，通过酪氨酸羟基（DNA促旋酶为Tyr122）催化反应，酪氨酸羟基的作用与Ⅰ型DNA拓扑异构酶基本一致。B亚基含ATPase活性中心，并负责引入负超螺旋。①钳住G片段。②结合ATP，钳住T片段。③切割G片段。④使T片段通过并进入DNA拓扑异构酶的中心孔。⑤G片段重新连接，ATP水解，T片段释放（图2-12）。
图2-12 大肠杆菌Ⅱ型DNA拓扑异构酶催化机制
3.单链DNA结合蛋白（SSB） 又称单链结合蛋白、松弛蛋白，活性形式为四聚体，可与单链DNA结合。SSB的功能：①稳定解开的DNA单链（覆盖约32nt），防止其重新形成双链结构。②抗核酸内切酶降解。
原核生物SSB与DNA的结合具有协同效应，当第一个SSB结合之后，其余SSB的结合能力可以提高10 3 倍。因此，一旦结合开始，便快速扩展，直至结合全部单链DNA。此外，SSB并不是在DNA链上移动，而是通过不断的结合与解离来改变结合位点（滑行与步行）。
DNA复制需要 RNA引物 。RNA引物由引物酶催化合成。 DNA引物酶 （DNA primase）又称引发酶，属于RNA聚合酶，但对利福平不敏感。大肠杆菌的引物酶是DnaG，是 dnaG 基因产物。游离的引物酶DnaG没有活性。当解旋酶DnaB联合其他复制因子识别复制起点并启动解链形成复制叉时，引物酶DnaG被解旋酶DnaB等募集，组装成 引发体 （primosome），才会被激活，在后随链模板的一定部位（ CT G序列）合成RNA引物（ppp AG ……），合成方向与DNA合成方向相同，也是5'→3'方向。RNA引物合成后可提供3'-羟基引发DNA合成。
部分微生物启动引物合成的三碱基位点：嗜热菌CCC，金黄葡萄球菌、嗜热脂肪土芽孢杆菌、炭疽杆菌、枯草芽孢杆菌CTA，T4噬菌体GTT和GCT，T7噬菌体GTC。
DNA聚合酶催化合成冈崎片段或环状DNA时会形成切口，需要 DNA连接酶 （DNA ligase）催化切口处的5'-磷酸基和3'-羟基缩合，形成磷酸二酯键。
DNA连接酶发现于1967年。大肠杆菌DNA连接酶是 ligA 基因产物。它不能连接游离的单链DNA，只能连接双链DNA中的切口。连接反应由NAD + 供能。相比之下，真核生物和古［细］菌的连接反应由ATP供能。
大肠杆菌DNA连接酶的催化机制：①DNA连接酶先与NAD + 反应，形成DNA连接酶-AMP（并释放烟酰胺单核苷酸NMN + ，其中AMP的磷酸基与活性中心Lys115的ε-氨基结合），再将AMP转移给切口处的5'-磷酸基，形成5'-AMP-DNA，将5'-磷酸基活化。②切口处的3'-羟基对活化的5'-磷酸基进行亲核攻击，形成3'，5'-磷酸二酯键，同时释放AMP（图2-13）。
图2-13 大肠杆菌DNA连接酶催化机制
除DNA复制外，DNA连接酶也参与DNA重组、DNA修复等，还是重组DNA技术重要的工具酶。
在大肠杆菌DNA的复制过程中，20多种与复制有关的酶和其他蛋白因子结合在复制叉上，形成多酶复合体结构，称为 复制体 （replisome），催化DNA的复制合成。复制过程可分为起始、延伸和终止三个阶段。三个阶段的复制体有不同的组成和结构。以下内容为大肠杆菌DNA复制体外研究结果。
DNA复制始于复制起点，由解链、解旋酶类解链形成复制叉，组装复制体。解旋酶DnaB与后随链模板的结合依赖染色体复制起始蛋白DnaA、细菌组蛋白HU（αβ二聚体）和DNA复制蛋白DnaC（表2-4）。
表2-4 大肠杆菌K-12株DNA预引发复合物组成
1.复制起点 大肠杆菌染色体DNA的复制起点称为 oriC ，位于天冬酰胺合成酶和ATP合成酶操纵子之间，长度为245bp，包含两种 保守序列 （conserved sequence，DNA、RNA或蛋白质一级结构中的一些在进化过程中变化极小的序列）：①五段重复排列的 9bp序列 （R位点，R1～R5），是DnaA蛋白（复制起始蛋白DnaA）识别和结合位点，故又称 dnaA 盒 ， 共有序列 （consensus sequence，一组DNA、RNA或蛋白质的同源序列所含的共有核苷酸序列或氨基酸序列）为TTATC［CA］A［CA］A（图2-14），可强力募集DnaA-ATP和DnaA-ADP。②三段串联重复排列的 13bp序列 ，是起始解链区，故又称 DNA解旋元件 （DNA unwinding element，DUE），富含AT，共有序列为GATCTNTTNTTTT。③另外三个DnaA蛋白结合位点（I位点，I1～I3），不含9bp共有序列，只募集DnaA-ATP，且结合力弱。④整合宿主因子（integration host factor，IHF）和DNA结合蛋白FIS（factor for inversion stimulation）结合位点。
图2-14 大肠杆菌DNA复制起点
大肠杆菌还有一种备用复制起点，称为 oriH ，仅在 oriC 不能启动复制时启用。
2.参与复制起始的酶和其他蛋白质 复制起始阶段至少需要10种酶和其他蛋白质（表2-4），它们的作用是从复制起点解开DNA双链，组装 预引发复合物 （预引发［复合］体，prepriming complex， 引发体前体 ，preprimosome）。
3.起始过程 ①DnaA蛋白N端为ATPase结构域，与ATP形成复合物，C端为DNA结合域，含HTH结合基序。8个DnaA-ATP依次结合于复制起点 oriC 的9bp序列和I1～I3位点，并通过ATPase结构域相互结合。DnaA-ATP结合致使DNA形成右手螺旋，因而引入正超螺旋。正超螺旋在两翼产生张力，加之随后有DnaA-ATP与13bp序列结合，导致13bp序列富含A=T区解链，成为开放复合物（图2-15）。②DnaA-ATP与单链13bp序列结合。这一过程会有HU、IHF、FIS结合，其作用均为促进DNA弯曲，协助DnaA-ATP使起始解链区解链（消耗ATP）。③两个解旋酶DnaB六聚体环在十二个DnaC-ATP单体（有ATPase活性）的协助下开环，分别套住开放复合物的一股单链13bp区（未来成为后随链模板），组装两个预引发复合物（各含1个PriC单体、1个DnaT单体、2个PriA单体、2个PriB二聚体、1个DnaB六聚体）。DnaC-ATP水解ATP后离去。预引发复合物沿着后随链模板5'→3'方向移动，继续解链（消耗ATP），在复制起点两翼形成上下游两个复制叉。
图2-15 大肠杆菌DNA复制起始解链
起始过程的最后事项是DNA聚合酶Ⅲ结合于复制叉处，其β夹子激活DnaA-ATP，DnaA-ATP水解其ATP，DnaA-ADP从复制起点释放。
DNA复制的延伸阶段合成前导链和后随链。两股链的合成反应都由DNA聚合酶Ⅲ催化，但合成过程有显著区别，参与DNA合成的蛋白质也不尽相同（表2-5）。下面以下游复制叉引物酶DnaG为核心介绍，它先合成的是上游复制叉前导链引物，之后合成的均为下游复制叉后随链引物。注意：如果催化反应的DNA聚合酶Ⅲ只有两个核心酶（1、2），则需要三个β夹子（1、2、3），其中β夹子1负责夹住引物1，引发合成前导链；β夹子2负责夹住引物2、4、6……引发合成后随链冈崎片段1、3、5……β夹子3负责夹住引物3、5、7……引发合成后随链冈崎片段2、4、6等。
表2-5 大肠杆菌K-12株DNA复制体组成
1.上游前导链合成 ①下游复制叉解旋酶DnaB募集引物酶DnaG形成引发体，DnaG催化合成引物1（5～14nt，引物合成方向均与解链方向相反），作为上游复制叉前导链引物。DnaG离去（图2-16）。②下游复制叉DNA聚合酶Ⅲ的γ复合物传递β夹子1，夹住引物1-模板杂交区。上游复制叉DNA聚合酶Ⅲ核心酶1与β夹子1结合，催化合成上游复制叉前导链。前导链的合成与其模板的解链保持同步（图2-8左）。
图2-16 下游引物酶催化合成上游前导链引物和下游后随链引物
2.下游后随链合成 包括以下几个交替进行的事件。
（1）引物合成循环：解旋酶解链1000～2000nt→募集引物酶→催化合成引物→引物酶离去。
（2）冈崎片段1合成循环：γ复合物协助β夹子夹住引物-模板杂交区→核心酶2与β夹子结合→催化合成冈崎片段→遇到上一个冈崎片段→核心酶2释放→β夹子由γ复合物接走。
（3）切口平移与封闭：DNA聚合酶Ⅰ募集于冈崎片段末端，通过切口平移降解RNA引物，并合成DNA填补，再由DNA连接酶催化连接DNA切口（图2-17）。引物也可由RNase H催化降解。
图2-17 DNA复制过程
解旋酶DnaB解链导致前方形成正超螺旋结构而产生拓扑张力，由DNA促旋酶负责松弛，它还可以引入负超螺旋，以协助解链（图2-17）。
3.后随链合成的长号模型 DNA双链是反向互补的，而前导链和后随链是由一个DNA聚合酶Ⅲ复合体催化同时合成的，称为DNA的 并行合成 、 协同合成 。为此，后随链的模板必须形成一个突环（looping out），使后随链与前导链的合成方向一致，这样它们就可以由同一个DNA聚合酶Ⅲ复合体催化合成。DNA聚合酶Ⅲ不断地与后随链的模板结合、合成1000～2000nt冈崎片段、释放，再结合、合成、释放……（图2-18）。这一机制称为 长号模型 （trombone model）。
图2-18 后随链合成的长号模型
4. DNA复制过程中的保真机制 ①5'→3'聚合酶活性中心对核苷酸的选择使其错配率仅为10 -5 ～10 -4 ，典型错配来自酮式-烯醇式互变异构体。②3'→5'外切酶活性中心的校对进一步将错配率降至10 -8 ～10 -6 （错配修复系统进一步将错配率降至10 -10 ～10 -9 ，57页）。
大肠杆菌环状DNA的两个复制叉向前推进，最后到达 终止区 （terminus region，约占大肠杆菌环状DNA总长度的9%），形成 连环体 （环连体，catenane），又称DNA连环，在细胞分裂前由DNA拓扑异构酶4催化解离。
终止区包括两个复制叉的交会点和位于交会点两翼的10段23bp的 终止序列 （terminus sequence，Ter sequence），包括 TerA ～ TerJ ，其中逆时针复制叉的5段终止序列 TerA ～ TerI 位于交会点的顺时针复制叉一侧，而顺时针复制叉的5段终止序列 TerB ～ TerJ 位于交会点的逆时针复制叉一侧。显然，一个复制叉必须通过另一个复制叉的终止序列之后才能停止推进。这样，在 oriC 处解链形成的两个复制叉将在交会点会合（图2-19）。
图2-19 复制终止区
使复制叉停止推进需要终止区结合蛋白Tus（terminator utilization substance）的参与。 Tus蛋白 是 tus 基因产物，特异地识别并结合于终止序列Ter的共有序列N 4 AGNATGTTGTAACTAAN 3 （其中N不直接结合），形成Tus-Ter复合物，阻止DNA解旋酶继续解链，从而使复制叉停止推进。Tus-Ter复合物只能阻止一个方向复制叉的推进，且每个复制周期也只需有一个Tus-Ter复合物起作用。因此，Tus-Ter复合物的作用是让先到达终止区的复制叉停止推进，等待与对向复制叉会合。
两个复制叉在交会点相遇而结束复制，复制体解体，尚未完成复制的几百碱基对解开，通过尚未阐明的机制完成复制，得到两个子代染色体DNA环。两环相扣形成连环体，由DNA拓扑异构酶4催化解离（图2-20），在细胞分裂时分配至子细胞。
图2-20 连环体解离
DNA的复制速度相当快，在营养充足、生长条件适宜时，大肠杆菌DNA不到40分钟即可完成一次复制。大肠杆菌基因组DNA全长约4.6×10 6 bp，依此计算，每秒能掺入2000个核苷酸（事实并非如此，机制见45页）。
● 某些细菌、噬菌体、病毒线性DNA的末端后随链以蛋白质为引物，由其酪氨酸的羟基引发DNA合成。
一些抗生素通过抑制DNA合成杀死原核病原体。
1.喹诺酮类（XJ01M） 例如环丙沙星、吉米沙星、诺氟沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星，通过抑制革兰阴性菌和革兰阳性菌的Ⅱ型DNA拓扑异构酶的连接活性，抑制DNA合成，对真核生物染色体DNA合成也有影响。
2.硝基呋喃类（XJ01XE） 例如呋喃妥因，被细菌摄取之后，由硝基呋喃还原酶还原成多种中间产物，攻击DNA、核糖体蛋白、呼吸链复合物、丙酮酸脱氢酶复合体等。
3.硝基咪唑类（XJ01XD） 例如甲硝唑，被厌氧菌摄取并还原，还原产物与厌氧菌DNA结合，抑制其复制和转录。