L'homocystéine est un acide aminé soufré qui est soit méthylé en méthionine soit transformé en cystathionine et cystéine par la voie de la transsulfuration dépendant de la vitamine B₆. La première voie a pour cofacteur la vitamine B₁₂ et utilise comme donneur de méthyle soit un dérivé de l'acide folique, le N5-méthyltétrahydrofolate, soit la bétaïne. La reméthylation et la transsulfuration de l'homocystéine sont régulées de façon coordonnée par la S-adénosylméthionine (SAM) qui inhibe l'activité méthylènetétrahydrofolate réductase (MTHFR), l'enzyme catalysant la synthèse du N5-CH₃THF à partir du méthylènetétrahydrofolate et stimule l'activité cystathionine bêta-synthase. Toute perturbation métabolique de l'une de ces deux voies entraîne une hyperhomocystéinémie. Une hyperhomocystéinémie sévère est généralement engendrée par un déficit congénital en cystathionine bêta-synthase (CBS). Une hyperhomocystéinémie modérée est observée à jeun soit du fait de la mutation du gène codant pour la MTHFR soit à cause d'une altération du statut vitaminique B₉ ou B₁₂. L'hyperhomocystéinémie modérée observée après une surcharge en méthionine traduit plutôt un défaut de la voie de transsulfuration (mutation du gène codant pour la CBS, déficience en vitamine B₆). Les sujets atteints d'homocystinurie ont des valeurs d'homocystéinémie très élevées et présentent dès l'enfance des accidents vasculaires, thromboemboliques ou plus rarement liés à l'athérosclérose. Des concentrations élevées d'homocystéine provoquent des lésions anatomiques de l'endothélium vasculaire, stimulent la prolifération des cellules musculaires lisses artérielles et la production des médiateurs de l'inflammation. Ces effets sont supposés médiés par l'oxydation de l'homocystéine et la production d'espèces radicalaires dérivées de l'oxygène et aussi par interférence avec la production du NO et de nombreux facteurs de transcription, la transduction de signaux cellulaires, l'oxydation des LDL et la diminution de la vasodilatation dépendant de l'endothélium.

Recent epidemiological studies have suggested that hyperhomocysteinemia is associated with increased risk of vascular disease. Homocysteine is a sulphur-containing amino acid whose metabolism stands at the intersection of two pathways: remethylation to methionine, which requires folate and vitamin B₁₂ (or betaine in an alternative reaction); and transsulfuration to cystathionine which requires vitamin B₆. The two pathways are coordinated by S-adenosylmethionine which acts as an allosteric inhibitor of the methylenetetrahydrofolate reductase (MTHFR) and as an activator of cystathionine β-synthase (CBS). Hyperhomocysteinemia arises from disrupted homocysteine metabolism. Severe hyperhomocysteinemia is due to rare genetic defects resulting in deficiencies in CBS, MTHFR, or in enzymes involved in methyl cobalamine synthesis and homocysteine methylation. Mild hyperhomocysteinemia seen in fasting condition is due to mild impairment in the methylation pathway (i.e. folate or B₁₂ deficiencies or MTHFR thermolability). Post-methionine-load hyperhomocysteinaemia may be due to heterozygous cystathionine-β-synthase defect or B₆ deficiency. Patients with homocystinuria and severe hyperhomocysteinemia develop arterial thrombotic events, venous thromboembolism, and more seldom premature arteriosclerosis. Experimental evidence suggests that an increased concentration of homocysteine may result in vascular changes through several mechanisms. High levels of homocysteine induce sustained injury of arterial endothelial cells, proliferation of arterial smooth muscle cells and enhance expression/activity of key participants in vascular inflammation, atherogenesis, and vulnerability of the established atherosclerotic plaque. These effects are supposed to be mediated through its oxidation and the concomitant production of reactive oxygen species. Other effects of homocysteine include: impaired generation and decreased bioavailability of endothelium-derived relaxing factor/nitric oxide; interference with many transcription factors and signal transduction; oxidation of low-density lipoproteins; lowering of endothelium-dependent vasodilatation. In fact, the effect of elevated homocysteine appears multifactorial affecting both the vascular wall structure and the blood coagulation system.