苯丙氨酸是人體必需的氨基酸之一，人體攝入的苯丙氨酸除用於蛋白質合成外，在肝髒 經苯丙氨酸羥化酶及其輔因子的作用，生成酪氨酸,還有少量苯丙氨酸進入次要代謝途徑，經轉氨基作用變成苯丙酮酸。酪氨酸也是人體必需的氨基酸,用以合成多巴胺、腎上腺素、去甲腎上腺素等重要激素和神經遞質及黑色素，也可進一步代謝生成尿黑酸進入三羧酸循環為機體提供能量。有些人因遺傳基因缺陷，若苯丙氨酸羥化酶(或輔因子)缺乏或活性減低，致其主要代謝途徑受阻。血液中遊離苯丙氨酸濃度異常升高，次要代謝途徑活躍，致正常代謝時數量很少的產物苯丙酮酸在體液中明顯增多,尿中苯丙酮酸增多，於是產生高苯丙氨酸血症及苯丙酮酸尿症。血液中升高的苯丙氨酸與其他氨基酸在進入神經細胞時競爭轉運係統，致神經細胞內氨基酸不平衡，從而抑製蛋白質合成及神經突觸的形成，影響微管(紡錘絲的基本成分)的形成，造成大腦的不可逆性損害。據說引起新生兒中樞神經係統分化停滯或發育遲緩的有害物質可能就是苯丙氨酸本身。
苯丙氨酸可通過代謝旁路生成苯乳酸→苯乙酸→苯乙酰穀氨酰胺，這些代謝產物經汗及尿排出，使汗、尿帶鼠尿或馬糞氣味。因此患者身體可有類似鼠尿的黴臭味。
臨床表現 經典苯丙酮酸尿症病人出生時很少有症狀，在生後第一年的早期，患兒身體可有類似鼠尿的黴臭味。因苯丙氨酸的正常代謝產物酪氨酸減少，黑色素合成缺乏必要的原料，故患兒虹膜及皮膚色素很淡，黑發人種的患兒毛發多為棕黃或黃色。以上症狀多不為雙親注意。患兒一年以後出現明顯智力障礙、癡呆、不會走路及說話、癲癇樣發作、多動,易激惹或有攻擊行為，此外還可出現多汗、流涎、震顫、小頭畸型、牙釉質發育不良、生長速度減慢等。苯丙氨酸羥化酶輔因子再生係統有缺陷者神經係統症狀更為嚴重，生後不久即可有吞咽困難，因而很難喂養。
