background image

 

 

 

Clinically 
Important 

Enzymes and 
Diagnostic 
Applications 

(part I) 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

October 2013

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

2

 

Objectives 

1.  To list some clinically important enzymes 

2.  To state the distribution and applications of clinically important enzymes  

3.  to interpret the biochemical results of serum enzymes for three cases of different 

liver diseases 

4.  To illustrate the serum enzyme patterns in different diseases 

5.  To assess the serum enzyme patterns in viral hepatitis 

Clinically Important Enzymes and  

Diagnostic Applications 

 

Distribution and application of clinically important enzymes 

 

Enzyme 

Principle Sources of 

Enzyme in blood 

Clinical applications 

Alanine 

aminotransferase 

Liver 

Hepatic parenchymal diseases 

Alkaline 

phosphetase 

Liver, bone, intestinal 

mucosa, placenta 

Bone diseases, hepatobiliry diseases 

Amylase 

Salivary glands, pancreae 

Pancreatic diseases 

Aspartate 

aminotrasferase 

Liver, skeletal muscle, 

heart erythrocytes 

Hepatic parenchymal disease, muscle 

disease 

Cholinesterase 

Liver 

Organophosphorus insecticide poisoning, 

hepatic parenchymal disease 

Creatine kinase 

Skeletal muscle, heart 

Muscle diseases(M.I.) 

γ-glutamyl 

transferase 

Liver 

Hepatobiliary diseases, marker of alcohol 

abuse 

Lactate 

dehydrogenase 

Heart, liver, skeletal 

muscle, erythroctes, 

platelets, lymph nodes 

Hemolysis, hepatic parenchymal diseases, 

tumor marker 

lipase 

Pancreas 

Pancreatic diseases 

5'-nucleotidase 

Liver 

Hepatbiliary diseases 

Trypsin  

pancreas 

Pancreatic diseases 

 

 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

3

 

 

Pancreatic enzymes

Acute pancreatitis is an inflammatory process in which pancreatic enzymes are 

activated and cause autodigestion of the gland. It is a result of anatomical changes that 

arise from two events.  

1.  The first is the autodigestion of the acinar cells by inappropriate activation of the 

pancreatic enzymes (especially trypsinogen) within the cell.  

2.  The second is the cellular injury response that is mediated by proinflammatory 

cytokines. 

There are some enzymes that are synthesized and stored as the active enzymes in the 

zymogen granules. These include 

α-amylaselipase, colipase, RNase, and DNase. 

1. 

α-Amylase:  (EC3.2.1.1;  1,4-  α-D-glucan  glucanohydrolase;  AMY)  is  an 

enzyme of the hydrolyase class that catalyzes the hydrolysis of 1,4- 

α-glycosidic 

linkages  in  polysaccharides.  AMYs  are  calcium  metaloenzymes,  with  the 

calcium absolutely required for functional integrity. 

AMYs  normally  occurring  in  human  plasma  are  small  molecules  with  molecular 

weights  varying  from  54  to  62  kDa.  The  enzyme  is  thus  small  enough  to  pass  the 

glumeruli of the kidneys and AMY is the only plasma enzyme physiologically found in 

urine. The AMY activity present in normal serum and urine is of  pancreatic (P-AMY) 

and salivary gland (S-AMY) origin.  

Clinical Significance 

Normal values of amylase: 28-100 U/L =0.48-1.7 µkat/L 

CAUSES OF RAISED PLASMA AMYLASE ACTIVITY 

   Marked increase (five   to   10 times   the upper reference limit):  

o  acute pancreatitis:  

o  severe glomerular impairment: 

o  perforated   peptic   ulcer   especially   if there is perforation into the lesser 

sac. 

Pancreatic pseudocyst. If the plasma amylase activity fails to fall after an attack of 

acute pancreatitis there may be leakage of pancreatic fluid into the lesser sac (a 

pancreatic pseudocyst). Urinary amylase levels are high, differentiating it from 

macroamylasaemia. This is one of the few indications for estimating urinary amylase 

activity, which is inappropriately low relative to the plasma activity if there is glomerular 

impairment or macroamylasaemia

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

4

 

 

Macroamylasaemia. In some patients a high plasma amylase activity is due to a low 

renal  excretion  of  the  enzyme,  despite  normal  glomerular  function.  The  condition  is 

symptomless;  it  is  thought  that  either  the  enzyme  is  bound  to  a  high  molecular 

weight plasma component such as protein, or that the amylase molecules form large 

polymers  that  cannot  pass  through  the  glomerular  membrane.  This  harmless 

condition may be confused with other causes of hyperamylasaemia 

 

2.  Lipase:  (EC  3.1.1.3;  triacylglycerol  acylhydrolase;  LPS).is  a  single 

chain    glycoprotein  with  molecular  weight  of  48  kDa.  For  full  catalytic 

activity  and  greatest  specificity  the  presence  of  bile  salts  and  a  cofactor 

called  colipase,  which  is  secreted  by  the  pancreas,  is  required.  LPS  is  a 

small  molecule  and  is  filtered  through  the  glomerulus.  It  is  totally 

reabsorbed by the renal tubules, and it is not normally detected in urine.  

 

Clinical Significance 

Normal values: 40-200 U/L  

 Plasma  lipase  levels  are  elevated  in  acute  pancreatitis  and  carcinoma  of  the 

pancreas. 

Note: serum amylase is increased in mumps, pancreatic disease or due to some other 

cause, where as lipase is increased only in pancreatitis. Therefore, the determination of 

both amylase and lipase together helps in the diagnosis of acute pancreatitis. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

5

 

Liver enzymes: 

The assay of serum enzymes is very useful for the differential diagnosis and monitoring 

of various heptobiliy disorders. 

There are three types of enzymes: 

1.  Enzymes which are normally present inside the hepatocytes released into the 

blood when there is a hepatocellular damage= markers of hepatocellular 

damage. 

2.  Enzymes which are primary membrane bound (plasma membrane or side of 

hepatocytes) = markers of cholestasis. 

3.  Enzymes which are synthesized in the hepatocyte= indicates disturbances in 

the hepatocellular synthesis. 

1.Markers of hepatocellular damage. 

1.  Aminotransaminases 

The transaminases are enzymes involved in the transfer of an amino group from a 2-

amino- to a 2-oxoacid: they need the cofactor, pyridoxal phosphate for optimal activity. 

They are widely distributed in the body. 

The 2-oxoglutarate/L-glutamate couple serves as one amino group acceptor and donor 

pair in all amino-transfer reactions; the specificity of the individual enzymes derives from 

the particular amino acid that serves as the other donor of an amino group. Thus AST 

catalyzes the reaction:  

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

6

 

ALT catalyzes the analogous reaction: 

 

The reactions are reversible, but the equilibrium of AST and ALT reactions favor formation 

of aspartate and alanine respectively. 

 

o  Location:  

o  AST present in cytosol and mitochondria 

o  ALT located in cytosol of liver 

o  In the liver, the concentration of ALT per unit weight of the tissue is more than AST. 

o  These enzymes are more important in assessing and monitoring the degree of liver 

cell inflammation and necrosis. 

o  The highest activities of ALT are found in hepatocytes and muscle cells. 

o  Hepatocytes have very high activity of ALT, therefore elevations in serum ALT are 

considered to be relatively specific for liver disease. 

o  AST may be elevated in other forms of tissue damage, such as myocardial 

infarction, muscle necrosis and renal disorders. 

o  In liver disease, the ALT level is increased markedly compared to AST. 

o  In acute viral hepatitis there is a 100-1000 times increase in both ALT and AST but 

ALT level is increased more than that of AST 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

7

 

Table: Aminotransferase activities in human tissues, relative to serum as unity 

 

a.  Aspartate Transaminase (EC 2.6.1.1; L-aspartate:2-oxoglutarate 

aminotransferase; AST)  

Clinical Significance 

Normal values of AST:  

male:   

<35 U/L = <0.60 µkat/L 

 

 

 

 

Female: 

<31 U/L = <0.53 µkat/L 

AST (glutamate oxaloacetate transaminase. GOT) is present in high concentrations in 

cells of cardiac and skeletal muscle, liver, kidney and erythrocytes. Damage to any of 

these tissues may increase plasma AST levels. Half- life = 17 hours. 

 

CAUSES OF RAISED PLASMA AST ACTIVITIES 

• Artefactual. 

Due  to  in  vitro  release  from  erythrocytes  if there  is haemolysis  or if  separation  of 

plasma from cells is delayed. 

• Physiological

During the neonatal period (about 1.5 times the upper adult reference limit). 

• Marked  increase  (10   to   100   times   the upper adult reference limit): 

Circulatory   failure    with    'shock'    and hypoxia: 

Myocardial infarction  

Acute viral or toxic hepatitis. 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

8

 

 

b.  Alanine Transaminase (EC 2.6.1.2; L-alanine:2-oxoglutarate 

aminotransferase; ALT) 

 

Clinical Significance 

Normal values of ALT:  

male:   

<45 U/L = <0.77 µkat/L 

 

 

 

 

Female: 

<34 U/L = <0.58 µkat/L 

 

ALT (glutamate pyruvate transaminase. GPT) is present in high concentrations in liver 

and  to a lesser extent, in skeletal muscle, kidney and heart. Half- life = 47 hours 

In liver damage, both enzymes are increased but ALT increases more. In myocardial 

infarction AST is increased with little or no increase in ALT. 

 

CAUSES OF RAISED PLASMA ALT ACTIVITIES 

  Marked increase (10   to   100  times   the upper limit of the adult reference range 

circulatory    failure    with    'shock'    and hypoxia: 

Acute viral or toxic hepatitis.  

  Moderate increase: 

Cirrhosis (may be normal or up to twice the upper adult reference limit): infectious 

mononucleosis (due to liver involvement): 

Liver congestion secondary to congestive cardiac failure: 

cholestatic jaundice (up to 10 times the upper reference limit in adults); surgery or 

extensive trauma and skeletal muscle disease (much less affected than AST) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

same AST except
Myocardial infarction


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

9

 

2.Markers of cholestasis 

I.  Alkaline phosphatase (EC 3.1.3.1; orthophosphoric-monoester 

phosphohydrolase [alkaline optimum]; ALP). Half-life= 10 days

 

Clinical Significance 

The alkaline phosphatases are a group of enzymes that hydrolyse organic phosphates 

at high pH. They are present in most tissues but are in particularly high concentration in 

the osteoblasts of bone and the cells of the hepatobiliary tract, intestinal wall, renal 

tubules and placenta. The exact metabolic function of ALP is unknown but it is probably 

important for calcification of bone.

 

In adults plasma ALP is derived mainly from bone and liver in approximately equal 

proportions: the proportion due to the bone fraction is increased when there is 

increased osteoblastic activity that may be physiological

 

Causes of raised Plasma ALP activity 

  Physiological: 

 

There is a gradual increase in the proportion of liver ALP with age: 

in the elderly the plasma bone isoenzyme activity may increase slightly. 

  Bone disease 

rickets and osteomalacia 

secondary hyperparathyroidism . 

  Liver disease-. 

  Malignancy. 

bone or liver involvement or direct tumor production. 

POSSIBLE CAUSES OF LOW PLASMA ALP ACTIVITY 

• Arrested bone growth 

•  Hypophosphatasia:  an  autosomal  recessive  disorder,  associated  with  rickets  or 

osteomalacia. 

Table: reference intervals for alkaline phosphatase activities inn serum 

 

ISOENZYMES OF ALKALINE PHOSPHATASE 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

01

 

Bone disease with increased osteoblastic activity, or liver disease with involvement of the 

biliary  tracts,  are  the  commonest  causes  of  an  increased  total  alkaline  phosphatase 

activity. 

Assays for ALP isoenzymes are needed when: 

I.  The source of an elevated ALP in serum is not obvious and should be 

clarified. 

II.  The main clinical question is concerned with detecting the presence of 

liver or bone involvement 

III.  In the case of metabolic bone disorders, to ascertain any modifications in 

the activity of osteblastes to monitor the disease activity and the effect of 

appropriate therapies. 

2.  Gamma-glutamyl-transferase 

(EC 2.3.2.21; γ-glutamyl-peptide: amino 

acid γ -glutamyletransferase; GGT): catalyzes the transfere of the γ –

glutamyl group from peptides and compounds that contain it to an acceptor 

Gamma-glutamyltransferase occurs mainly in the   cells   of  liver,   kidneys,   pancreas   

and prostate.   Plasma   GGT activity is  higher  in men than in women. 

Clinical Significance 

Normal values for GGT 

male:   

<55 U/L = <0.94 µkat/L 

 

 

 

 

Female: 

<38 U/L = <0.65 µkat/L 

Causes of raised plasma GGT activity 

• Induction of enzyme synthesis, without cell damage, by drugs or alcohol. 

 

• Hepatocellular damage, such as that due to infectious hepatitis: 

 

patient should never be labeled an alcoholic because of a high plasma GGT activity 

alone.

 

Other enzymes 

Glutamate dehydrogenase (EC 1.4.1.3; L-glutamate: NAD(P)

+

 oxidoreductase, 

deaminating; GLD) is a mitochondrial enzyme found mainly in the: 

a.  liver 

b.  heart muscle 

c.  kideys 

but small amounts occur in other tissue, including 

d.  brain 

e.  skeletal muscle tissue 

f.  leukocytes 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

00

 

Clinical significance 

GLD is increased in serum of patients with hepatocellular damage offering differential 

diagnostic potential in the investigation of liver disease, particularly when interpreted in 

conjunction with other enzyme test results. The key to this differential diagnostic 

potential is to be found in the intraorgan and intracellular distribution of the enzyme. As 

an exclusively mitochondrial enzyme, GLD is released from necrotic cells and is of 

value in estimation of the severity of liver cell damage. GLD activity in serum is stable at 

4ºC for 48 hours and at -20ºC for several weeks. The GLD upper reference limits are 

6U/L (women) and 8U/L (men), when a method optimized at 37ºC is used. 

Clinical Cases: 
Case1: 

A healthy 43- year old male, on no medication, had the following 

results of tests performed during a private healthcare screening program. 
Plasma 
Bilirubin 43µ mol/L (< 20) 
Unconjucated bilirubin 36µ mol/L (< 5) 
Alanine aminotransferase 21U/L (< 42) 
Alakaline phosphatase 126 U/L (< 250) 
Albumin 40 g/L (35-45) 
Gamma-glutamyltransferase 42 U/L (< 55) 
Urinary bilirubin negative 
Normal full blood count, reticulocytes and blood film. 
Discussion 

The raised concentration of the plasma bilirubin is predominant ly unconjugated. There 

is no evidence of haemolysis and the other liver function tests are normal. A likely 

diagnosis is of Gilbert's syndrome. This is a common condition and its diagnosis  is 

based on the exclusion of liver disease and heamolisis in the presence of a modest 

concentration of unconjugated hyper bilirubineamia. 

Case2 : 

A 50-year old known alcoholic make attended the general medical 

clinic because of ascites and the following abnormal liver test results 
Plasma: 
Bilirubin 52µ mol/L (< 20) 
Alanine amino transferase 76 U/L (< 42) 
Alakaline phosphatase 271 U/L (< 250) 
Albumin 18 g/L (35-45) 
Gamma-glutamyltransferase 324 U/L (< 55) 
Urinary bilirubin and protin normal. 
Discussion 

The abnormal liver test and hypoalbuminaemia together with ascites supported the 

diagnosis of cirrhosis, secondary to his alcohol problem. Hypoalbumineamia may be 

due to many disorders, such as gross protienuria, but in the presence of hepatic 

disease suggests a reduction in hepatic synthetic typical of cirrhosis. 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

02

 

Serum Patterns in different liver diseases 
 
Ref: Schmidt E, Schmidt FW.“Brief guide to practical enzyme diagnosis” , Houston, 
1977, Boehringer Mann-heim Diagnostics. 
 
 

 

 
 
 
 
 

 


background image

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

03

 

 

 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 150 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل