本病为常染色体隐性遗传，突变基因位于12号染色体长臂(12q24.1)，该基因的微小变异即可引起发病，并非由于基因缺失，系由两个杂合子的婚配而导致的遗传性疾病，以近亲结婚的子代为多见，患儿同胞约40%患病，由于苯丙氨酸羟化酶(phenylalanine hydroxylase)基因突变，导致肝脏中苯丙氨酸羟化酶缺乏，是本病基本的生化异常，如果发生变异的碱基对不同，引起临床表现的严重程度有很大差异，可表现为典型PKU或轻度高苯丙氨酸血症。
发病机制
苯丙氨酸(phenylalamine，PA)是一种人体必需氨基酸，它参与构成各种蛋白质成分，但在人体内不能合成，正常情况下，摄入的PA中约有50%左右用于合成各种成分的蛋白质，其余部分在苯丙氨酸羟化酶的作用下变为酪氨酸，再经其他酶的作用转化为多巴，多巴胺，肾上腺素，去甲肾上腺素及黑色素等，苯丙氨酸羟化酶是复合酶系统，除羟化酶本身外，还包括二氢蝶呤还原酶及辅酶四氢生物蝶呤，任何一种酶缺陷均可引起血苯丙氨酸增高。
当PA羟化酶缺乏时，未参与第一步蛋白质合成的苯丙氨酸在血浆内贮积，并沉积于全身组织包括脑，血中苯丙氨酸超过肾阈而排出，产生苯丙氨基酸尿。
PA的主要途径(羟化)受阻后，PA的次要代谢途径则代偿性地亢进，使PA转化为苯丙酮酸，苯乳酸，正羟苯乙酸和苯乙酸的比重逐步增加，正常时这条代谢旁路进行得很少，因此这些代谢产物的含量极少;当PA羟化酶缺乏时，这些代谢产物才达到异常增高的水平，积蓄于组织，血浆和脑脊液中，并大量从尿中排出，产生苯丙酮尿症。
1.根据生化缺陷的不同可分为：
(1)典型PKU：先天性苯丙氨酸羟化酶缺陷。
(2)持续性高苯丙氨酸血症：见于苯丙氨酸羟化酶异构酶缺陷或典型苯丙酮尿症杂合子，血苯丙氨酸增高。
(3)一过性轻度高苯丙氨酸血症：多见于早产儿，是苯丙氨酸羟化酶成熟延迟所致。
(4)苯丙氨酸转氨酶缺乏：虽然血苯丙氨酸含量增加，但尿中苯丙酮酸及羟苯乙酸可不增高，给予负荷量的苯丙氨酸口服后血酪氨酸也不增加。
(5)二氢蝶呤还原酶缺乏：酶活性完全或部分缺乏，除影响脑发育外可使基底节钙化。
(6)二氢蝶呤合成缺陷：缺乏甲醇氨脱水酶或其他多种酶。
典型PKU患儿出生时神经系统正常，由于纯合子患儿缺乏神经系统保护措施，神经系统长期暴露于苯丙氨酸而出现症状，如母亲是纯合子，血苯丙氨酸水平很高，患儿是杂合子，在子宫中就可发生中枢神经系统损害，出生时表现为智力障碍。
普通型PKU及某些轻度和严重变异型，疾病早期未经治疗可出现精神衰退，推测可能为等位基因突变型，表现为高苯丙氨酸血症(hyperphenylalaninemia)，无苯丙酮尿症及神经系统受累，此外，即使少数(约3%)病人控制高苯丙氨酸血症，也不能预防神经系统病变的进展。
2.分子生物学研究正常人PAH蛋白有折叠，并有铁结合位点，铁结合位点结构的保持与位于与活性位点相关的3D结构中的第349位的丝氨酸有关，这个位点的丝氨酸与PAH结构的稳定性聚合和PAH的催化性质也具重要性，Fusetti等测定了人PAH(残基118～452)的结晶结构，发现此酶与组成催化和四聚体化区的每个单聚体以四聚体结晶出现，在四聚体化区的特性是存在与其他单聚体相互作用的交换臂，因而形成一反平行的盘旋卷，而且明显的不对称，这是由于在导致盘旋卷螺旋的螯合区有两个交替构形所引起，最常见的PAH突变中的某些突变即发生于催化区和四聚体区的交界处。
不同的PAH基因的突变使PAH活性受影响的程度不同，对PAH结构的影响也不一样，Camez等用不同的表达系统揭示PAH突变：Leu348Val，Ser349Leu，Val388Met引起PAH蛋白有折叠缺陷，将突变的PAH蛋白在大肠埃希杆菌中表达显示比野生型PAH蛋白有对热不稳定，降解的时间过程也不相同，Bjorgo等研究了PAH7种错义点突变，即R252G/Q，L255V/S，A259V/T及R270S，另外还有一种突变为G272X，当将这些突变的PAH蛋白与麦芽糖酶以融合蛋白形式共同表达于大肠埃希杆菌中，证明人PAH蛋白折叠和聚合为同种四聚体/二聚体的能力有缺陷，大多数回收为无活性聚集型，R252Q和R252G回收到具有催化活性的四聚体和二聚体，R252G回收到一些二聚体，前述3种突变使PAH活性分别只有野生型活性的20%，44%和4.4%，当在体外以耦联的转录-翻译系统表达时，所有突变的PAH均回收到具有低同种特异性活性的非磷酸化和磷酸化型的混合物，所有这些PAH基因突变所表达的变异的人PAH蛋白在寡聚化方面均有缺陷，在体外实验对限制性蛋白溶解的敏感性增加，在细胞中的稳定性减低，催化活性也有不同程度的减低，所有前述作用看来是由于单聚体结构紊乱的结果，根据人PAH催化区的晶体结构，突变对折叠和单聚体寡聚体化的影响提供一种解析。
以上是一些肝PAH基因突变所引起的PAH蛋白结构和活性变异的相关性，99%的高苯丙氨酸血症或PKU都是由于PAH基因突变引起，只有1%是由于辅因子生物合成或再生有障碍所致，PAH基因突变可累及外显子和内含子，可为错义突变或无义突变，突变类型有点突变，插入或缺失，提前停止编码，剪接和多态性，突变的基因型有纯合子，杂合子和复合性杂合子，Scriver等于1996年综述了PAH基因突变，在全世界26个国家，81位研究者分析了3986突变的染色体，确定了243种不同的突变，到1999年3月Zekanowski等在论文中指出：世界上PAH基因突变已达350种以上，该作者研究了编码PAH酶调节区：部分的外显子3突变可引起经典的PKU，轻度的PKU和轻度的高苯丙氨酸血症，后者的突变常位于71～94位的氨基酸残基，汪宁指出到1998年4月止全世界PAH基因突变已增加到390种，在我国1996年徐陵亭等报道已确定PAH基因突变有20多种，约占PAH突变基因的80%，大多数学者认为PAH突变的基因型与表型之间有相关，只少数病人例外，Guldberg等人认为：部分病人PAH突变的基因型与表型之间的不一致可能是由于用以检查突变的方法或者由于表型分类不同所致。
不同的国家和地区PKU患者PAH基因突变有所不同，我国北方和南方人群PAH基因突变类型分布也不一致，土耳其祖先病人的亚组中最常见突变为IVS1O-11 G→A(占分析的等位基因的38%);罗马尼亚PKU病人中PAH基因突变以Arg408Trp居多(占等位基因47.72%)，Lys363fsdelG(13.63%)和Phe225Thr占6.81%，3种突变占突变等位基因的70%;在捷克PKU病人中Arg408Trp突变占54.9%，对各地区人群PAH基因突变类型的分布的不同可能反映PAH基因突变有多种机制，包括拓荒者作用(founder effect)，遗传漂流(genetic drift)，过度互换性(hypermutability)和选择(selection)。
以上是肝脏PAH基因结构，性质和突变及突变所引起的PAH蛋白的异常，PAH蛋白除了在肝脏细胞中表达外，在非肝脏组织中也有表达，包括肾脏，胰腺和脑，肾脏中PAH一级结构与肝脏中的一致，只是其调节不同于肝脏中的PAH，但在机体苯丙氨酸平衡中，肾脏的PAH可能起作用。
除了肝PAH活性缺如或降低可引起PKU外，还有PAH的辅因子发生变化也可引起，参与PAH作用的主要辅因子有5，6，7，8-四氢生物蝶呤(5，6，7，8-tetrahydrobiopterin)，此物质为苯丙氨酸，酪氨酸和色氨酸羟化必须的辅因子，负责编码此物质的基因为6-丙酮酰四氢蝶呤合酶(6-pyruvoyltetrahydropterin)合成酶(PTPS)基因，如果这种酶基因发生突变，则PTP缺乏，PAH活性即使正常，也可引起PKU，另一种可引起PKU的酶是二氢蝶呤还原酶，据此，PKU的发病牵涉到至少3种酶基因，其中一个基因发生突变即可引起PAH活性缺如或减低，从而引起PKU。
3.脑部病理改变
表现为非特异性变化，通常以白质改变为明显，大致可有下列数种情况。
(1)脑成熟障碍，胎儿在妊娠后期即开始有脑发育异常，脑的白质，灰质分层不清楚，白质中有异位灰质出现。
(2)髓鞘生成障碍，以视束，皮质脊髓束，皮质-脑桥-小脑束纤维的髓鞘形成不全为最明显。
(3)灰质和白质囊样变性;此外，还有脑的黑质，蓝斑部的色素消失，脑重量减轻等变化。
