Autosomal rezessive kongenitale Methämoglobinämie wird durch Mutationen im CYB5R3-Gen verursacht. Dieses Gen liefert Anweisungen zur Herstellung eines Enzyms namens Cytochrom-b5-Reduktase 3. Dieses Enzym ist an der Übertragung negativ geladener Teilchen, sogenannte Elektronen, von einem Molekül auf ein anderes beteiligt. Aus dem CYB5R3-Gen werden zwei Versionen (Isoformen) dieses Enzyms hergestellt., Die lösliche Isoform ist nur in roten Blutkörperchen vorhanden, und die membrangebundene Isoform findet sich in allen anderen Zelltypen.

Jedes Hämoglobinmolekül enthält vier Eisenatome, die benötigt werden, um Sauerstoff zu transportieren. In normalen roten Blutkörperchen ist das Eisen im Hämoglobin eisenhaltig (Fe2+), kann aber spontan eisenhaltig (Fe3+) werden. Wenn Hämoglobin Eisen enthält, ist es Methämoglobin. Die lösliche Isoform der Cytochrom-b5-Reduktase 3 verändert Eiseneisen zurück zu Eisen, so dass Hämoglobin Sauerstoff an Gewebe abgeben kann. Normalerweise enthalten rote Blutkörperchen weniger als 2 Prozent Methämoglobin.,

Die membrangebundene Isoform ist im Körper weit verbreitet. Diese Isoform ist für viele chemische Reaktionen notwendig, einschließlich des Abbaus und der Bildung von Fettsäuren, der Bildung von Cholesterin und des Abbaus verschiedener Moleküle und Arzneimittel.

CYB5R3-Genmutationen, die autosomal-rezessive kongenitale Methämoglobinämie Typ I verursachen, verringern typischerweise die Enzymaktivität oder-stabilität. Infolgedessen kann das Enzym Eiseneisen nicht effizient in Eiseneisen umwandeln, was zu einem Anstieg des Methämoglobins um 10 bis 50 Prozent innerhalb der roten Blutkörperchen führt., Dieser Anstieg des Methämoglobins und die entsprechende Abnahme des normalen Hämoglobins reduzieren die Menge an Sauerstoff, die an Gewebe abgegeben wird. Die veränderte Enzymaktivität betrifft nur rote Blutkörperchen, da andere Zellen eine Abnahme der Enzymaktivität kompensieren können, rote Blutkörperchen jedoch nicht.

Mutationen, die autosomal-rezessive kongenitale Methämoglobinämie Typ II verursachen, führen normalerweise zu einem vollständigen Verlust der Enzymaktivität. Zellen können einen vollständigen Verlust dieses Enzyms nicht kompensieren, was zu einem Anstieg des Methämoglobins um 10 bis 70 Prozent innerhalb der roten Blutkörperchen führt., Dieser Anstieg des Methämoglobins und die entsprechende Abnahme des normalen Hämoglobins führen zu einer Zyanose. Der Mangel an Enzymaktivität in anderen Zellen führt zu den neurologischen Merkmalen, die mit Typ II verbunden sind. Forscher vermuten, dass die neurologischen Probleme durch eine gestörte Fettsäure-und Cholesterinbildung verursacht werden, die die Produktion einer Fettsubstanz namens Myelin reduziert. Myelin isoliert Nervenzellen und fördert die schnelle übertragung von Nervenimpulsen., Diese verminderte Fähigkeit, Myelin (Hypomyelinisierung) zu bilden, führt zu einem Verlust von Nervenzellen, insbesondere im Gehirn. Der Verlust dieser Zellen trägt wahrscheinlich zur Enzephalopathie und zu Bewegungsstörungen bei, die für autosomal-rezessive kongenitale Methämoglobinämie Typ II charakteristisch sind.