维生素B12是N^5-CH3-FH4转甲基酶（甲硫氨酸合成酶）的辅酶，催化同型半胱氨酸甲基化生成甲硫氨酸。维生素B12缺乏时，N^5-CH3-FH4上的甲基不能转移出去，一是引起同型半胱氨酸水平升高，甲硫氨酸合成减少，二是影响四氢叶酸的再生，组织中游离的四氢叶酸含量减少，一碳单位的代谢受阻，造成核酸合成障碍，影响细胞分裂，所以患者出现红细胞减少、巨幼红细胞增多为特征的巨幼红细胞性贫血。维生素B12缺乏不影响苯丙酮酸代谢，只有苯丙氨酸羟化酶缺陷时，苯丙酮酸才会升高。