苯丙氨酸（phenylalanine，Phe）是人体必需氨基酸，食人体内的Phe一部分用于蛋白质的合成，一部分通过苯丙氨酸羟化酶（phenylalanine hydroxylase）作用转变为酪氨酸，仅有少量的Phe经过次要代谢途径，在转氨酶的作用下转变成苯丙酮酸，其代谢途径见图8-2。

由于患儿苯丙氨酸羟化酶活性降低，不能将苯丙氨酸转化为酪氨酸，导致苯丙氨酸在血液、脑脊液及组织中的浓度极度增高，通过旁路代谢产生大量苯丙酮酸、苯乙酸、苯乳酸和对羟基苯乙酸，高浓度的Phe及其代谢物导致脑损伤。

人类苯丙氨酸羟化酶基因位于第12号染色体上（12q22-12q24），基因全长约90kb，有13个外显子和12个内含子，成熟的mRNA约2.4kb，编码451个氨基酸。通过对PKU患者进行基因分析，在中国人群中已发现了100种以上不同基因突变类型。

苯丙氨酸的代谢，除了需要苯丙氨酸羟化酶的作用外，还必须要有辅酶四氢生物蝶呤

（tetrabiopterin，BH。）的参与，人体内的BH。来源于三磷酸鸟苷（GTP），在其合成和再生途径中必须经过三磷酸鸟苷环化水解酶（GTP-CH）、6-丙酮酰四氢蝶呤合成酶（PTPS）和二氢生物蝶啶还原酶（DHPR）的催化。PAH、GTP-CH、PTPS、DHPR等酶的编码基因缺陷都可造成相关酶的活性降低，导致血苯丙氨酸升高。BH。是苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等芳香族氨基酸在催化过程中所必需的共同辅酶，缺乏时不仅苯丙氨酸不能氧化成酪氨酸，而且造成多巴胺、5-羟色胺等重要神经递质的合成受阻，进一步加重了神经系统的功能损害。根据统计，我国的高苯丙氨酸血症，大多数为PKU，约10%～15%为BH₄。缺乏症，后者以PTPS缺乏症最为常见。