Enzymes

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty

uiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasd

fghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzx

cvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq

wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui
opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg

hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq

wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui

opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg

hjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxc
vbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmq

wertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyui

opasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfg

hjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbn

mqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwert

yuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopas

dfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklz

xcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnm

qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwerty

Plasma Enzymes in Diagnosis 

[Prof. Dr. H.D.El-Yassin] 

october [2012] 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

2

Plasma Enzymes in Diagnosis 

Most enzymes are present in cells at much higher concentrations than in plasma. Some 

occur  predominantly  in  cells  of  certain  tissues,  where they  may  be  located  in  different 

cellular  compartments  such  as  the  cytoplasm  or  the  mitochondria.  'Normal'  plasma 

enzyme levels reflect the balance between the rate of synthesis and release into plasma 

during cell turnover, and the rate of clearance from the circulation. 

Plasma  contains  several  enzymes,  some  of  which  are  functional  in  the  plasma,  while 

others  are  merely  present  in  plasma  due  to  leakage  from  tissues.  Lipoprotein  lipase, 

psuedocholinesterase  and  enzymes  concerned  in  the  coagulation  of  blood  and  the 

dissolution of the blood clot are enzymes that serve a function in the plasma. Though many 

other  enzymes  have  no  function  in  the  plasma,  they  are  still  useful  as  diagnostic  tools. 

Measurement  of  their  levels  in  plasma  offers  valuable  information  about  diseases 

involving the tissue of their origin.  

It is easier to measure enzyme activity in body fluids, by monitoring changes in either 

substrate or product concentrations, than to measure enzyme protein concentration 

directly.  

The enzyme activity in plasma may be: 



  Increased due to proliferation of cells, an increase in the rate of cell turnover or 

damage or in enzyme synthesis (induction), or to reduced clearance from plasma 



  Lower than normal, very occasionally due to reduced synthesis or congenital 

deficiency. 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

3

Changes in plasma enzyme activities may sometimes help to detect and localize tissue 

cell damage or proliferation, or to monitor treatment and progress of disease 

Assessment of Cell Damage and Proliferation 

Plasma enzyme levels depend on: 

1.  The rate of release from damaged cells which,   in turn,   depends on the rate 

which damage is occurring: 

2.  The extent of cell damage. 

In the absence of cell damage the rate release depends on: 

1.  The rate of cell proliferation: 

2.  The degree of induction of enzyme synthesis 

These factors are balanced by: 

• The rate   of enzyme clearance   from circulation. 

Acute cell damage, for example in viral hepatitis, may cause very high plasma enzyme 

activities  that  fall  as  the  condition  resolves. By  contrast,  the  liver may  be  much  more 

extensively involved in advanced cirrhosis but the rate of cell damage is often low and 

consequently  plasma  enzyme  activities  may  be  only  slightly  raised  or  be  within  the 

reference  range.  In  very  severe  liver  disease  plasma  enzyme  activities  may  even  fall 

terminally, when the number of hepatocytes is grossly reduced. 

It  is  not  known  how  most  enzymes  are  removed  from,  or  their  action  inhibited  in  the 

circulation.  Relatively  small  peptides,  such  as 

α-amylase,  can  be  cleared  by  the 

kidneys:  most  enzymes  are  large  proteins  and  are  probably  catabolized  by  plasma 

proteases  before  being  taken  up  by  the  reticuloendothelial  system.  In  health  each 

enzyme has a fairly constant and characteristic biological half-life; knowledge of this half-

life  may  be  of  help  in  assessing  the  time  since  the  onset  of  an  acute  illness.  After  a 

myocardial  infarction,  for  example,  plasma  levels  of  creatine  kinase  and  aspartate 

transaminase  fall to normal before those of lactate  dehydrogenas,  which  has  a  longer 

half-life. The half-life may be lengthened if there is circulatory impairment. 

Renal  glomerular  impairment  may delay the  rate  of fall  of those  plasma  enzymes 

cleared  through  the  kidneys.   For example plasma amylase activity may be high due 

to renal glomerular impairment, rather pancreatic damage 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

4

Localization of Damage 

Most of the enzymes commonly measured to assess tissue damage are present in 

nearly all cells, although their relative concentrations in certain tissues may differ. 

Measurement of the plasma activity of an enzyme known to be in high concentration 

within cells of a particular tissue may indicate an abnormality of those cells, but the 

results will rarely enable a specific diagnosis to be made. For example if  there  is 

circulatory failure after a cardiac arrest very high plasma levels of enzymes originating 

from many tissues may occur because of hypoxic damage to cells and reduced rates of 

clearance: the raised plasma levels of 'cardiac' enzymes do not necessarily mean that 

a myocardial infarct caused the arrest 

The diagnostic precision of plasma enzyme analysis may be improved by 

1.  Estimation of more than one enzyme. .Many enzymes are widely distributed, but 

their relative concentrations may vary in different tissues. For instance, although 

both alanine and aspartate transaminases are abundant in the liver, the 

concentration of aspartate transaminase is much greater than that of alanine 

transaminase in heart muscle 

2.  Isoenzyme determination. Some enzymes exist in more than one form: these 

isoenzymes may be separated by their different physical or chemical properties. If 

they originate in different tissues such identification will give more information than 

the measurement of plasma total enzyme activity: for example, creatine kinase 

may be derived from skeletal or cardiac muscle, but one of its isoenzymes is 

found predominantly in the myocardium 

3.  Serial enzyme estimations. The rate of change of plasma enzyme activity is 

related to a balance between the rate of entry and the rate of removal from the 

circulation. A persistently raised plasma enzyme activity is suggestive of a 

chronic disorder or occasionally of impaired clearance. 

The distribution of enzymes within cells may differ. Alanine transaminase and lactate 

dehydrogenase are predominantly located in cytoplasm and glutamate 

dehydrogenase in mitochondria, whereas aspartate transaminase occurs in both 

these cellular compartments. Different disease processes in the same tissue may 

affect the cell in different ways, causing alteration in the relative plasma enzyme activ-

ities  

Professor Dr.H.D.El-Yassin

5

Non-specific Causes of Raised Plasma Enzyme Activities 

Before attributing a change in plasma enzyme activity to a specific disease process it is 

important to exclude the presence of factitious or nonspecific causes. 

Slight  rises  in  plasma  aspartate  transaminase  activities  are  common,  non-specific 

findings  in  many  illnesses.  Moderate  exercise,  or  a  large  intramuscular  injection,  may 

lead to a rise in plasma creatine kinase activity; isoenzyme determination may identity 

skeletal muscle as the tissue of origin  

Some drugs, may induce synthesis of the microsomal enzyme, gamma-

glutamyltransferase, and so increase its plasma activity in the absence of disease. 

Plasma enzyme activities may be raised if the rate of clearance from: the circulation is 

reduced.  In  the  absence  disease  this  may  occur  if  for  example  the  plasma  enzyme 

forms.- 

• macromolecules (aggregates), such as in macroamylasaemia . 

•  complexes  with  immunoglobulins.  as  occasionally occur with lactate dehydrogenase, 

alkaline phosphatase  creatine kinase. 

Factors Affecting Results of Plasma Enzyme Assays 

1.  Analytical factors affecting results.   The total concentration of all plasma 

enzyme proteins is less than 1 g/L. Results of enzyme assays are not usually 

expressed as concentrations, but as activities. Changes in concentration may 

give rise to proportional changes in catalytic activity, but the results of such 

measurements depend on many analytical factors. These include the 

concentrations of the substrate and product, the pH and temperature at which 

the reaction is carried out. The type of buffer, and the presence of activators or 

inhibitors. Because the definition of 'international units' does not take these 

factory into account, results from different laboratories, apparently expressed in 

the same units, may not be directly comparable. Therefore, plasma enzyme 

activities must be interpreted in relation to the reference ranges from the issuing 

laboratory. 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

6

2.  Physiological   factors   affecting   enzyme activities include for example: 

a.  Age: plasma aspartate transaminase activity is moderately higher during 

the neonatal period than in adults: plasma alkaline phosphatase activity of 

bony origin is higher in children than in adults and peaks during the 

pubertal bone growth spurt before falling to adult levels. 

b.  Sex: 

plasma γ-glutamyltransferase activity is higher in men than-in-

women. 

c.  physiological conditions: 

Plasma  alkaline  phosphatase  activity  rises  during  the  last  trimester  of  pregnancy 

because of the presence of the placental isoenzyme: several enzymes, such as the 

transaminases  and  creatine  kinase  rise  moderately  in  plasma  during  and 

immediately after labour or strenuous exercise. 

Plasma enzyme activities must be interpreted in relation to the sex and age-matched refer-

ence ranges of the issuing laboratory. 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

7

Genetic basis for enzyme synthesis: 

Since  all  enzymes  are  proteins,  their  synthesis  follows  the  general  pattern  of  protein 

synthesis  and  is  regulated  by  genes.  For  every  enzyme,  there  is  said  to  be  one  gene 

(one gene, one enzyme hypothesis); where an enzyme is a complex protein containing 

more  than  one  protein  subunit  more  than  one  gene  may  be  concerned  in  its  synthesis. 

Genetic  mutation  results  in  abnormal  DNA  code  and  synthesis  of  an  abnormal  enzyme 

protein.  Since  the  abnormal  enzyme  cannot  serve  the  normal  function,  a  metabolic 

abnormality  occurs  and  this  is  transmitted  to  the  progeny.  Such  transmittable 

abnormalities  of  metabolism  due  to  abnormal  enzyme  molecules  are  known  as:  

'Molecular diseases' or 'Inborn Errors of Metabolism'. Phenylketonuria, alkaptonuria, 

pentosuria,  glycogen  storage  disease,  galactosemia  and  cystinuria  are  but  a  few  of 

several known molecular diseases. 

1.  Phenylketonuria: is an autosomal recessive disorder caused by an abnormality of the 

phenylalanine hydroxylase.. Because phenyl alanine can not be converted to tyrosine 

it  accumulates  in  plasma  and  is  secreted  in  the  urine  with  its  metabolites,  such  as 

phenylpyrovic  acid;  the  disease  acquired  its  name  from  the  detection  of  the  latter 

"phenylketone" in the urine.(see diagram below) 

Melanin 

Alkapton 

Homogentistic acid 

Thyroid hormones 

Dihydroxyphenylalanine 

(DOPA)

TCA cycle 

Adrenaline 

Phenylalanine 

phenylpyruvic acid (phenylketone) etc. 

TYROSINE 

1

2

4

3

3

Diagram showing the metabolism of tyrosine and some inborn errors of the aromatic amino acid pathways. 
Substances highlighted may be present in abnormal amounts in certain inborn errors of metabolism. 
1 

phenylalanine hydroxylase 

phenylketonuria 

2 

homogentisic acid oxidase 

alkaptonuria 

3 

tyrosinase   

albinism 

4 

thyroid enzymes   

thyroid dyshormonogenesis 

Professor Dr.H.D.El-Yassin

8

2.  Alkaptonuria:  is  an  autosomal  recessive  disorder  due  to  the  deficiency  of 

homogentisic acid oxidase. Homogentisic acid accumulates in tissue and blood and is 

passed in the urine. Oxidation and polymerization of homogentisic acid produces the 

pigment alkapton in much the same way as polymerization of DOPA produce melanin. 

Deposition  of  alkapton  in  cartilages,  with  consequent  darkening  is  called  ochronosis 

and  result  in  visible  darkening  of  the  cartilages  of  the  ears..  Conversion  of 

homogentisic acid to alkapton is accelerated in alkaline conditions and most obvious 

abnormality in alkaptonuria is darkening of the urine as it becomes more alkaline on 

standing.  The  condition  is  compatible  with  normal  life  span  despite  the  tendency  for 

patient to develop arthritis in later life. .(refer to previous diagram) 

3.  glycogen  storage  disease:  a  deficiency  of  one  of  the  enzymes  involved  in  the 

glycogenesis  or  glycogenolysis  results  in  the  accumulation  of  normal  or  abnormal 

glycogen with hepatomegaly: in von Gierk's disease, the least rare glycogen storage 

disorder,  there  is  a  deficiency  of  glucose-6-phospate.  Fasting  hypoglycemia  occurs 

because  the  enzyme  is  essential  for  the  conversion  of  glucose-6-phosphate  to 

glucose. 

4.  galactosaemia  an  autosomal  recessive  disorder  due  to  a  deficiency  of  galactose-1-

phosphate uridyltransferase , may cause cirrhosis of the liver if untreated. 

5.  cystinuria: is an autosomal recessive inherited abnormality of tubular reabsorption, with 

excessive urinary excretion of the dibasic amino acids: cystine, arginine and lysine.