ピルビン酸脱水素酵素欠損症の遺伝子は、それぞれピルビン酸脱水素酵素複合体と呼ばれるタンパク質群の構成要素となるタンパク質を作る指示を出しています。 この複合体は、食物から得たエネルギーを細胞が利用できる形に変換する経路で重要な役割を担っています。 ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体は、炭水化物が分解されてできたピルビン酸という分子を、アセチルCoAという別の分子に変換する。 ピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体は、E1、E2、E3と呼ばれる複数の酵素のコピーで構成されており、それぞれがピルビン酸をアセチル-CoAに変換する化学反応の一部を担っている。 さらに、この複合体に含まれる他のタンパク質が、その正常な機能を保証している。 E3結合タンパク質は、E3を複合体に結合させ、複合体が機能を発揮するための正しい構造を提供する。 ピルビン酸デヒドロゲナーゼホスファターゼは複合体をオンに（活性化）し、ピルビン酸デヒドロゲナーゼキナーゼは複合体をオフに（抑制）します。
ピルビン酸デヒドロゲナーゼとも呼ばれるE1酵素は、2つのαサブユニット（E1αという）と2つのβサブユニット（E1βという）4つの部分（サブユニット）から構成されています。 E1αを作る命令を出す遺伝子（PDHA1遺伝子）の変異が、ピルビン酸脱水素酵素欠損症の最も多い原因であり、約80％を占めている。 これらの変異により、E1αタンパク質が不足するか、あるいは正しく機能しない異常なタンパク質が生じる。 E1αの機能低下はピルビン酸脱水素酵素複合体の活性低下につながる。
ピルビン酸脱水素酵素複合体の他の構成要素もピルビン酸脱水素酵素欠損症に関与している。 E1β（PDHB遺伝子）、E2酵素（DLAT遺伝子）、E3結合蛋白（PDHX遺伝子）、ピルビン酸脱水素酵素ホスファターゼ（PDP1遺伝子）の指令を出す遺伝子に変異があることが、この疾患を持つ人々で確認されている。 これらの遺伝子の変異が複合体にどのような影響を及ぼすかは不明であるが、複合体の1つの構成要素の機能が低下すると、複合体全体の活性が損なわれるようである。 PDHA1遺伝子の変異と同様に、これらの他の遺伝子の変化はピルビン酸デヒドロゲナーゼ複合体活性の低下につながる。
この複合体の機能が低下すると、ピルビン酸が蓄積され、別の化学反応で乳酸に変換される。 この過剰な乳酸は、罹患者に乳酸アシドーシスを引き起こす。 さらに、細胞エネルギーの産生が低下する。 特に大量のエネルギーを必要とする脳は深刻な影響を受け、ピルビン酸デヒドロゲナーゼ欠損症に伴う神経学的な問題が発生する
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