Hình 4.10 mô tả toàn bộ quá trình tái bản DNA. Quá trình này trải qua ba giai đoạn chính sau:
1. Mở xoắn
Trước tiên ta thấy quá trình mở xoắn của hai sợi DNA cần thiết phải có một enzyme rất quan trọng đó là helicase (còn gọi là enzyme mở xoắn).
Chẳng hạn, trên phân tử E. coli chỉ có một gốc tái bản (ký hiệu là ori C) dài 245 bp. Có ít nhất 8 enzyme hoặc protein tham gia vào giai đoạn khởi đầu của sự tái bản. Những enzyme-protein này mở xoắn DNA ở gốc ori C và thiết lập một phức hợp tiền mồi (prepriming complex) để chuẩn bị cho những phản ứng của giai đoạn sau.
Một phức hợp khoảng 20 protein Dna A được kết hợp với một vùng của ori C bắt đầu cho quá trình mở xoắn và khởi đầu sự tái bản. Phản ứng này cần ATP và một protein giống như histone của vi khuẩn (HU). Tiếp đó, protein Dna C giúp protein Dna B gắn vào vùng ori C, Dna B chính là helicase sẽ mở xoắn DNA theo hai hướng để tạo ra hai chạc ba tái bản. Các phân tử protein liên kết sợi đơn (single stranded binding protein, protein SSB) gắn vào chuỗi đơn DNA để ổn định chuỗi này. Enzyme gyrase (DNA topoisomerase II) mở xoắn để tạo siêu xoắn trái (-). Enzyme primase (protein Dna G) sẽ xúc tác tổng hợp RNA primer để gắn vào khuôn mẫu DNA.
2. Kéo dài-Tổng hợp chuỗi Okazaki
Giai đoạn kéo dài bao gồm sự tổng hợp cùng một lúc hai chuỗi DNA. Một chuỗi được tái bản cùng hướng phát triển của chạc ba sẽ liên tục (sợi chủ), còn chuỗi kia sẽ không liên tục bao gồm các đoạn Okazaki (sợi thứ). Các nucleotide gắn vào đầu 3’ tự do, và kéo dài chuỗi ra nhờ enzyme DNA polymerase III theo chiều 5’®3’. Trong giai đoạn này, nhiều enzyme đã tham gia vào sự tổng hợp hai chuỗi DNA tại chạc tái bản. DNA helicase tiếp tục tách hai chuỗi DNA mẹ, DNA gyrase mở xoắn, protein SSB ổn định những chuỗi DNA đơn đã được tách ra, DNA ligase gắn các đoạn Okazaki trên sợi thứ.
Sinh tổng hợp DNA trong tế bào cùng một lúc diễn ra trên rất nhiều vị trí (20.000-60.000) suốt chiều dài khổng lồ của DNA khuôn mẫu. Ở các vị trí đó, enzyme helicase giúp DNA chuyển từ dạng siêu xoắn sang dạng dãn (hai sợi DNA tách ra) với tốc độ 10 μm/giờ. Với tốc độ này, để helicase có thể chạy suốt chiều dài chuỗi DNA trong một tế bào cây đậu ngựa (DNA dài tổng cộng khoảng 9 m) phải mất hơn một thế kỷ. Trong thực tế, công việc này chỉ mất khoảng 15-
Cuối cùng, hai chạc ba tái bản gặp nhau ở phía đối diện của nhiễm sắc thể vòng của E. coli. Người ta biết rất ít về những phản ứng của giai đoạn này. Có thể hoạt động của một loại DNA topoisomerase là cần thiết để tách hai phân tử DNA vòng đã được tổng hợp. Quá trình phân đôi hai phân tử DNA trong tế bào con khi phân chia tế bào cũng chưa được biết rõ.