La carenza di tirosina, dovuta all'inefficiente conversione di fenilalanina in tirosina, porta a bassi livelli di tirosina e conseguentemente a un'insufficiente produzione di molecole da essa derivate, come i neurotrasmettitori adrenalina, noradrenalina, dopamina e il precursore della melanina, la DOPA. Elevate concentrazioni di fenilalanina nel cervello possono provocare ritardo mentale e ritardo nell'accrescimento. Non è ancora noto il meccanismo con il quale la fenilalanina provochi ritardo mentale, ma si pensa che saturi i trasportatori di alcuni amminoacidi presso la barriera ematoencefalica determinando da una parte una concentrazione troppo elevata di questa sostanza nel cervello e d'altra parte una diminuzione dei livelli di altri amminoacidi con cui compete a livello del trasportatore.