在红细胞的线粒体中，作为卟啉生物合成的第一步，甘氨酸与琥珀酸辅酶A结合成δ-氨基γ酮戊酸(ALA)。吡哆醇(维生素B6)则在体内转变成具有生物活性的5-磷酸吡哆醛(PLP)，后者作为ALA合成过程不可缺少的辅酶参与这一反应有证据表明本病的发生是由于这一生化过程存在着遗传缺陷而各家族的生化缺陷不一定相同。病例提示有ALA合成酶的缺陷。部分病例ALA合成酶活性低下，当用吡哆醇治疗后该酶的活性恢复，甚至高于正常。该反应类似维生素B6缺乏症，但患者并无饮食缺乏或代谢缺乏的证据，且治疗剂量需大大超过1.5～2mg/d的生理需要量疗效常仅为部分有效。在一家族中确认了一个导致氨基酸改变的ALA合成酶基因的点突变现已明确该基因位于Xp11.2上这一家族是X连锁吡哆醇治疗有效的铁粒幼细胞贫血,在对其中2例男性患者和1位女性携带者进行DNA序列分析证明，在核苷酸1215(外显子8)中鸟嘌呤取代了胞嘧啶，导致在ALA合成酶的氨基酸残基388中由丝氨酸替代了苏氨酸，而该残基靠近与PLP结合的赖氨酸。在表达中发现突变酶的活性较野生型减低，两患者该酶的衰减相似，提供吡哆醇后酶活性的表达也相似。这一突变导致了ALA合成酶活性中心的结构改变在本病中成为一个基本缺陷。另有报告一例X连锁铁粒幼细胞贫血者与磷酸甘油激酶异常相关该酶基因定位于Xq13，然而限制性DNA酶切反应却未见异常。血红素的合成不仅依赖于ALA合成酶的活性正常，而且依赖于对该酶正常地调节和输送至线粒体中。关于血红素合成中其他步骤异常的文献报道较少个别病例红细胞内游离原卟啉(FEP)的浓度增加，提示血红素合成酶(即亚铁螯合酶)有缺陷，但也可能是线粒体内铁沉积所致。少数患者红细胞内粪卟啉(FEC)增多而FEP显著减少，提示粪卟啉氧化酶系统有缺陷，可能为线粒体基因发生突变。