PNA是一种人工合成的核酸的类似物，与核酸相似，它也是由携带ATGC四种碱基的四种单体首尾相连所构成的链状结构，从而保证这种物质能够像核酸一样靠碱基堆积力形成Watson-Crick碱基对，与DNA、RNA形成杂交分子PNA/DNA或PNA/RNA这就是PNA作为杂交探针的理论基础。所不同的是构成PNA骨架的单体不是通常的带负电的磷酸核糖而是N-(2-氨已基）-甘氨酸，单体之间靠酰胺键连接成长链。这种电中性的骨架结构赋予肽核酸探针优良的杂交特性。
首先PNA/DNA杂交分子的性质很稳定，从化学动力学角度看，PNA/DNA的结合常数有明显提高，一旦形成了双链，即使加入上百倍的寡核苷酸也不能使它解离。据报道，对于含有高度反向重复序列的超螺旋DNA，PNA/DNA杂交分子比DNA/DNA双链的结合常数提高了五万倍；从热力学角度看，PNA/DNA杂交分子的Tm也高于相同序列的DNA/DNA双链，通常，在100mmol/L的NaCl溶液中，PNA/DNA杂合子与相应的DNA/DNA双链相比，每个碱基对的Tm值要高出1℃。也就是说，15个碱基对的PNA/DNA平均Tm值约为70℃，比同样的DNA/DNA要高出15℃。从而使检测过程中的灵敏度大为提高。此外，中性骨架还使PNA与DNA的杂交摆脱了对杂交液盐度的依赖，这一重要性质不仅意味着杂交过程中省去了提高盐浓度的操作，更有意义的是，只要保证杂交体系足够低的离子强度，就能抑制非特异性的杂交和靶DNA序列的自身复性对灵敏度的损害。
不但如此，这种高度的灵敏度并没有像其他种类的探针一样引起特异性的下降，相反它对于碱基错配的容纳力更小。在16bp的PNA/DNA杂合子中，一个碱基的错配会导致Tm值下降15℃，而对于同样的DNA双链，Tm值只下降11℃
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