PNA 是以Watson-Crick碱基配对原则识别互补的 DNA 和 RNA 靶序列并形成螺旋结构。

由于PNA缺乏3′至 5′位极性,所以能以平行或反向平行方式与互补链结合,且反向平行方式居多。NMR研究表明 ,PNA与RNA形成的复合物类似于一个A 型螺旋,而PNA-DN双螺旋同时具有A型及B型结构。X射线晶体成像结果显示, PNA2-DNA复合物形成了独特的三股螺旋结构,其中 Hoogstein 和Watson-Crick 碱基配对都存在 ,PNA - PNA 复合物拥有另一独特的结构 .

DNA 寡核苷酸与 DNA 和 RNA 的杂交 (hybridization),由于电荷的相互排斥作用而不稳定 ,PNA-DNA或PNA-RNA双螺旋则缺少电荷的排斥作用而使Tm值增加,降低了Tm对单价和双价阳离子浓度的依赖性,提高了 PNA的杂交速率。

PNA与靶序列结合的特异性可通过调节寡聚物长度和杂交温度而达到,且 PNA-PNA杂交对碱基不配对要较DNA-DNA杂交敏感。16个碱基对(16bp) PNA - DNA双螺旋内单个碱基的不配对会使Tm降低15℃,双碱基不配对时 PNA 根本不与靶序列杂交。PNA 的这种高水平的识别作用表明,它具有分析点突变的能力。

PNA不易被蛋白酶或核酸酶消化,因为这些酶不能识别它的杂交化学 (hybrid chemistry),使 PNA 在血清(blood serum) 及细胞提取物中的生物稳定性提高。某些蛋白质与 DNA 或 RNA 有亲和力,能与它们发生相互作用,而 PNA 几乎不能以序列特异性或以其他方式与这些蛋白质作用,这样便提高了PNA 在细胞内选择性结合靶序列的能力。

中性的 PNA 比同类的 DNA 寡聚物疏水性更强,在中性pH条件下不易溶解 , 特别是当 PNA 的嘌呤含量高或它具有形成二级结构的倾向时。在PNA末端连接一个或多个带正电荷的基团可增加其可溶性并防PNAs的自连。