甲基丙二酸，作为甲基丙二酰辅酶A代谢的产物，通常会通过甲基丙二酰甲基钴胺辅酶A变位酶和维生素B12的作用转化为琥珀酸，进一步参与三羧酸循环。然而，当甲基丙二酰辅酶A变位酶功能缺陷或维生素B12代谢出现障碍时，会导致甲基丙二酸、丙酸和甲基枸橼酸等代谢物积累过多，琥珀酸脱氢酶的活性下降，进而影响线粒体的能量生成，引发多器官损伤，包括神经系统、肝脏、肾脏和骨髓。
在病理学研究中，患者的脑组织显示出明显的病理特征，如脑萎缩、神经胶质细胞弥漫性增生、星形细胞病变，甚至可能出现脑出血、苍白球坏死和丘脑及内囊细胞水肿。这些症状与线粒体功能障碍密切相关。
病理解剖观察还揭示了其他异常，如神经胶质细胞的过度反应性增生，深部皮质和小脑颗粒层的发育不良，小脑、脑干和颈髓髓鞘化延迟。尸检结果表明，患者可能存在肾脏血栓性毛细血管病、肺部弥漫性脂肪变性、骨髓内巨幼红细胞增多，以及胃黏膜发育不良和炎症等。这些症状的产生，部分源于胎儿期代谢异常，部分则是出生后有机酸毒性影响的结果。
甲基丙二酸尿症(methylmalonicaciduria)或甲基丙二酸血症(methylmalonicacidemia)是先天有机酸代谢异常中最常见的病种，是多种原因所致体内甲基丙二酸蓄积的总称，于1967年首次被报道。近年来，其病因、诊断、治疗与遗传学机制逐步明确，随着质谱分析技术的普及，本症的流行病学资料亦不断更新。据报道日本发病率为2/9780，2/102200至2/16246，意大利1/61775，中国发病情况不详。