苯丙氨酸(phenylalanine，Phe)是人體必需氨基酸，食入體內的Phe一部分用于蛋白質的合成，一部分通過苯丙氨酸羥化酶作用轉變為酪氨酸，僅有少量的Phe經過次要的代謝途徑在轉氨酶的作用下轉變成苯丙酮酸。
苯丙氨酸羥化酶
PKU是因苯丙氨酸羥化酶(phenylalanine hydroxylase，PAH)基因突變導致PAH活性降低或喪失，Phe在肝臟中代謝紊亂所致，PKU患者苯丙氨酸羥化酶缺乏，酪氨酸及正常代謝產物減少，血Phe含量增加，刺激轉氨酶發育，次要代謝途徑增強，生成苯丙酮酸，苯乙酸和苯乳酸，并從尿中大量排出，故稱苯丙酮尿癥，苯乳酸使患兒尿液具有特殊的鼠尿臭味，高濃度的Phe及其異常代謝產物抑制酪氨酸酶，使黑色素合成障礙，Phe增高影響腦發育，導致智能發育落后及出現小頭畸形，抽搐痙攣等神經系統癥狀。
遺傳特點
①患兒父母都是致病基因攜帶者(雜合子)；②患兒③患兒母親每次生育有1/4可能為PKU患兒；④近親結婚的子女發病率較一般人群為高。人類PAH基因位于第12號染色體上(12q22～12q24.1)，PAH基因全長約90kb，有13個外顯子和12個內含子，外顯子長度在57～892bp之間，成熟mRNA約2.4kb，編碼451個氨基酸，內含子長度為1～23kb不等，隨著分子生物學技術的發展，北京，上海等地已經開展用單鏈構型多態性分析(SSCP)，變性梯度凝膠電泳(DGGE)，溫度梯度凝膠電泳(TGGE)，點雜交及DNA序列分析等技術對PKU病人進行基因分析，在中國人群中發現了30種以上基因突變，發現外顯子7和12的突變占的比例相對較高，其中有一些是中國人特有的突變體，這些基因突變分別導致氨基酸置換，翻譯提早終止，mPNA剪切異常，閱讀框架移位等。