白喉毒素是壹種酶原,被酶蛋白降解後分為A、B兩個多肽片段。B的肽鏈無酶活性,有1受體結合區和1易位區,與易感細胞表面的受體結合,顯示其選擇性親和力。壹個肽鏈有酶活性,但不能單獨侵入細胞;通常a肽鏈由b肽鏈攜帶,附著在細胞膜受體上,轉運到細胞質中。A肽鏈使細胞內延伸因子II (EF-2)失活,使細胞容易發生蛋白質合成障礙。常見的易感細胞有心肌、外周神經、肝臟、腎臟、腎上腺等組織,可引起相應的臨床癥狀。
免疫機制:人類對白喉毒素有壹定的耐受性,足量的白喉毒素能刺激機體產生足夠的免疫反應,所以患病後能獲得以體液免疫為主的強大免疫力。