众所周知，DNA聚合酶是DNA复制中十分重要的一种酶，它催化dNTP的聚合，使dNTP以一条亲代DNA为模板形成一条完整的子代DNA，与亲代为互补序列。

　　形状与结构

　　如果使劲想象，DNA聚合酶的结构就像一只微微张开的右手。它有手指域 (finger region)和手掌域 (palm region)，手掌域结合引物-模版接头和新合成的DNA。

　　Figure 1. DNA聚合酶的形状和结构

　　或许有人会问，同一个蛋白的活性位点是怎么结合不同DNA的呢？DNA各种各样的序列为什么不会影响结合呢？这背后的原因是，DNA聚合酶会结合在DNA的小沟 (minor groove)而非大沟 (major groove)。不同的碱基配对在大沟中有许多种pattern的氢键供体/受体，而在小沟中，每个碱基对两侧都是受体 (如图)。所以，只要这条DNA遵循沃森-克里克碱基配对原则，DNA聚合酶就可以在小沟中结合，与序列无关。

　　Figure 2. 大沟和小沟的氢键供体/受体分布。A为Acceptor，即受体；D为Donor，即供体。H和M分别为氢原子和甲基。(图源：MIT分子生物学online course)

　　在DNA复制过程中，模板在活性位点旁边向下弯曲45度，这保证了唯一一个在活性位点中的核苷酸 (即下一个将要被配对的核苷酸)，一定是紧接着上一个配对完的核苷酸，而不是模板中的其他核苷酸。

　　Figure 3. 模板弯曲45度示意图。

　　聚合酶的运作方式

　　DNA聚合酶的手指域一开一合，参与催化dNTP添加至模板上。新加入的dNTP会与两个二价金属离子 (绝大部分时候是镁离子) 结合以稳固三磷酸盐的位置 (这就是为什么二价金属的螯合剂会让DNA聚合酶失活)。

　　手指域中有一个叫O-helix的东西，它其中的三个氨基酸会分别与核苷酸、β磷酸和ɣ磷酸相互作用，O-helix就会被压到碱基对上面。

　　这是手指域“关上”的状态。这样的好处是，水分子进不来，水解反应不会发生，所以在这里唯一能发生的反应就是前面提到过的羟基敲掉磷酸。

　　当焦磷酸盐被释放，O-helix中的两个氨基酸不再与β磷酸和ɣ磷酸相互作用，所以亲和力变低，手指域“打开”。整条DNA链下移一个碱基对，新的dNTP添加又可以开始啦。

　　Figure 4. O-helix和其中三个氨基酸与dNTP的相互作用。(图源: MIT分子生物学online course)

　　避免错误配对

　　在沃森-克里克碱基配对原则中，DNA里的A总是会与T互补配对，G总是会与C互补配对。

　　之所以这样配，是因为一个嘌呤+一个嘧啶的距离(宽度？)几乎完全相等，而这个相等的距离在DNA聚合酶催化反应中起到重要的作用。

　　下一个dNTP的ɑ磷酸必须要在最靠近上一个核苷酸3’OH的位置才能被它SN2亲核攻击，让β和ɣ磷酸被敲掉(脱落形成焦磷酸盐)，反应才得以继续。

　　如果出现任何一种错配的情况(碱基对之间距离变大/变小)，ɑ磷酸都不会在正确的位置上，羟基也不能进攻。就算错配可以发生，错配核苷酸之间的亲和力较弱，不允许游离的dNTP在聚合酶活性位点中逗留。所以，错误的dNTP很快就会跑掉了。

　　Figure 5. 正确配对。正确的距离让羟基能立刻攻击ɑ磷酸。

　　聚合酶的“犯错"

　　整个DNA复制平均10000000000（1E10）个bp（base pair，碱基对）中会有一个错误，但是DNA聚合酶平均100000（1E5）个bp中就会有一个错误。😡

　　大多数错误都是嘧啶替代了另一种嘧啶，或嘌呤替代了另一种嘌呤。这种错误是因为一种叫互变异构 (tautomerism)的东西。四个碱基可以在amino/imino形式，或keto/enol形式之间转变，它们互为互变异构体。

　　以cytosine举例，它通常处于amino的状态，但也有可能转变为imino。当它这样转变时，它的氢键供体/受体的排列pattern会变。这下，碱基配对的特异性被改变——可以与它配对的碱基变了，C便可以与A配对。但是，当它们的氢键形成后，C又会立刻变回amino的状态。这下DNA聚合酶发现它加错核苷酸了，并且它无法再与DNA小沟进行结合——DNA聚合酶会立刻停止工作。这会减慢随后的DNA合成，并需要校读型核酸外切酶 (proofreading exonuclease)来纠正。