Genetics of Organisms

The  modern  study  of  genetics  which  is  the  study  of  inheritence  and of  the  units  of  inheritence  (genes),  began  during  the  mid  1800's.

The  first  person  who  experimented  with  it  was  Gregor  Mendel,  an Austrian  monastery.  He  experimented  with  pea  plants  to  discover  how organisms  inherit  their  traits.  Mendel  grew  many  generations.  Each  of  the characteristics  he  observed  could  express  itself  in  one  of  the  two  constrasting traits.  One  of  the  characteristics  was  height.  They  were  either  tall  or  short. the  other  characteristic  was  pod  color.  They  were  either  yellow  or  green.

Mendel  began  his  observation  with  purebred  peas.  Purebred  means  that the  oganism  has  had  the  same  characteristic  for  many  generations.

He  crossed  a  purebred  tall  with  a  purebred  short  pea  plants.  The  seeds that  were  produced  from  this  cross  were  planted  next  year.  They  produced what  is  called  the  first  filial  generation.  They  were  hybrid  pea  plants.  The hybrid  organism's  ancestors  were  not  alike.  He  continued  his  experiments by  pollinating  the  hybrid  tall  plants.  They  produced  the  second  filial generation.  Although  all  the  plants  of   the  F1   generation  were  tall,  only about  three  fourth  of  the  F2   generation  were  tall,  and  the  remaining  were short.

Mendel  carefully  considered  his  data  and  then  constructed  a  set of  theories  to  explain  the  data.

The  first  stated  that  the  characteristics  he  was  studying  were  controlled  by  factors.  One  factor  for  each  characteristic  was  supplied by  pollen  and  another  factor  for  each  characteristic  was  supplied  by  the pistil.  Thus  each  offspring  had  two  factor  for  each  chatacteristic.  If  these factors  were  the  same,  the  plant  was  purebred  for  the  characteristic.  If they  were  not  the  same  the  plant  was  hybrid.

Another  of  Mendel's  theories  suggested  that  one  trait  of  each  set  of characteristics  was dominant  and  the  other  recessive.  When  there  were  two factors  for  the  dominant  characteristic  the  plant  had  the  dominantcharacteristic.  When  there  were  two  factors  for  the  recessive  characteristic  the  plant  had  a  recessive  characteristic.  When  the  plant had  one  dominant  and  one  recessive  factor,  the  plant  had  a  dominant characteristic.  In  the  case  of  the  pea  plants  we  use  ts  for  factors.  For  the of  tallness  we  use  T  and  a  t  for  the  recessive  factor  that  causes  the shortness.  The  purebred  tall  pea  plants  that  Mendel  started  his experiments  with  will  be  represented  by  TT.  The  purebred  short  pea  plants  plant  will  be  represented  by  tt.  When  Mendel  crossed  the  tall plant  with  the  short,  the  pollen   and  the  ovule  united  and  produced  a  seed  containing  the  factors  Tt.  The  plant  that  the  seed  produced  was  tall, because  of  the  dominant  factor.  Thus  the  F1   generation  were  hybrid  tall pea  plants.  To  form  the  F2   generation,  Mendel  crossed  two  hybrid  tall plants.  When  the  hybrid  tall  plants  make  pollen,  the  first  half  of  the  pollen  contained  a T factor  and  the  other  half  the  t  factor.  The  same  was  true  when  the hybrid  tall  plants  made  ovules.  When  the  pollen  and  the  ovules  united,  the  zygotes  that  were  either  TT,  Tt  or  tt.  From  these  zygotes  grew  purebred  tall  (TT)  plants,  hybrid  tall  (Tt)  plants  and  purebred  short  (tt) plants.  In  F2   generations  these  same  types  of  gene  combinations  (purebred dominant,  hybrid,  and  purebred  recessive)  formed  for  the  other characteristics  Mendel  observed  in  his  pea  plants.

All  living  things  contain  sugar,  starches  and  lipids.  These  molecules have  the  same  basic  structure,  no  matter  where  they  are  found.  But  this  is  not  true  of  proteins.  Although  some  of   your  proteins  are  almost identical  to  animal  proteins,  many  of  your  proteins  are  very  different.  In  fact  proteins  are  even  different  from  those  around  you.  Hair  color,  skin  color,  and  many  other  characteristics  are  all  the  result  of  different   proteins. 

Because  poteins  vary  among  different  organisms,  scientists  believe that  inheriting  characteristics  involve  proteins.  In  fact  it  appears  that living  things  inherit  the  ability  to  make  certain  proteins.  The  protein making  abilities  an  organism  inherits  will  determine  what  characteristics  it will  have. 

Proteins  are  essential  to  living  things.  A  protein  is  made  of  a chain  of  amino  acids.  There  are  approximately  twenty-three  different  acids  found  in  living  things.  These  amino  acids  are  arranged  in  chains that  range  from  sixty  to  hundreds  or  even  thousands  of  amino  acids  long. Variations  in  the  arrangement  and  number  of  amino  acids  make  up different  proteins.  The  amino  acid  arrangement  in  a  protein  is  very important,  especially  in  enzymes.  For  example,  if  the  sequence  of  two amino  acids  are  reversed,  the  protein  may  not  work,  or  it  will  produce  a slightly  different,  but  workable  protein.  How  does  a  cell  knows  which amino  acids  to  line  up  in  order  to  build  the  proper  proteins?  Scientists believe  this  information  is  stored  in  the  cell's  DNA.

In  1953  after  many  years  of  research,  James  D.  Watson  and  Francis  H.  C.  Crick  came  up  with  a  model  for  the  structure  of  deoxyribonucleic acid,  called  DNA.  This  model  is  made  up  of  units  called  nucleotides. There  are  four  kinds  of  nucleotides  in  a  DNA.  Each  nucleotide  contains  a sugar,  a  phosphate  and  a  base.  There  are  four  bases:  adenine,  thymine, cytosine  and  guanine.  The  bases  are  always  pair  up  so  that  if  the  adenine is  one  side,  thymine  is  on  the  other,  and  if  cytosine  is  on  one  side, guanine  is  on  the  other.

Genes  are  sections  of  DNA.  In  many  ways  genes  in  cells  are  similar  to blueprints  kept  in  a  factory.  The  blueprints  contains  the  information needed  to  build  and  maintain  the  various  structures  of  the  factory.  Genes contain  the  information  needed  to  build  the  chemicals  by  the  cell  as  well  as  those  that  make  up  the  cell.  Also  blueprints  are  stored  in  filing  cabinets in  a  filial  room.  The  genes  of  a  cell  are  usually,  stored  in  the chromosomes,  which  are  kept  in  the  nucleus.  When  the  cell  needs  to  build a  particular  structure,  it  makes  a  copy  of  the  gene's  information.  After  that  the  cell  uses  this  information  to  build  the  needed  structure.  Gene duplication  is  especially  important  during  mitosis.  Before  the  cell  divides  it makes  a  copy  of  its  every  single  genes.  So  this  way  the  new  cell  will  have  a  complete  set  of  genes.  Then  it  will,  using  the  information,  will  use its  own  structure.

The  DNA  also  duplicates  or  copies  itself.  To  do  this,  it  first  breakes  into  two  halves. Inside  each  cell  there  are  free  nucleotides.  These  free  nucleotides  can  line up  with  the  half-DNAs.  Of  course  each  of  them  will  join  up  only  with their  proper  pairing  partners.  So  each  half-DNA  will  have  a  new corresponding  side.  This  causes  two  completely  identical  DNA  molecules. This  whole  process  is  called  replication.

The  DNA  contains  its  genetic  information  in  a  code.  That  code  is  the sequence  of  the  four  bases.  When  they  are  decoded  these  bases  cause  a specific  protein  to  be  made  in  the  cell.  When  a  cell  needs  a  particular protein,  the  DNA  code  for  the  protein  (the  gene  for  that  protein)  makes ribonucleic  acid  which  is  known  as  RNA.  Although  RNA  is  a  nucleic acid,  like  DNA,  the  RNA  differs  from  DNA  in  two  ways.  First  it  is  made up  of  only  one  chain  of  nucleotides.  The  other  difference  is that  thymine  is replaced  by  uracil.

To  form  a  RNA,  a  short  section  of  a  DNA  becomes  unzipped.  The nucleotides  that  line  up  along  the  unzipped  DNA,  unlike  the  DNAs,  they  do  not  remain  attached  to  the  DNA.  Instead  they  separate  from  the  DNA.  This  separated  chain  of  nucleotides  is  the  RNA molecule.  Because  it  contains  a  copy  of  the  DNA's  coded  massage,  it  is  the messenger-RNA.  Once  a  RNA  has  been  made  the  two  sides  of  the  DNA can  be  joined  back.  This  process  of  making  a  messenger  RNA  is  called transcription.  During  transcription  a  "working  copy"  of  the  DNA's  code  is made.

After  the  messenger  RNA  is  made  in  the  nucleus,  it  carries  a  working  copy  of  the  DNA's  coded  message  to  a  ribosome  in  the  cytoplasm.  The  ribosome  is responsible  for  reading  and  for  making  the  protein.  In  it  there  are  the catalist  necessary  to  put  amino  acids  together  to  make  proteins.  The manufacturing  of  proteins  inside  a  cell  is  called  protein  synthesis.  In  the cytoplasm  there  is  another  type  of   RNA  called  transfer  RNA.  Within  a cell  there  is  over  twenty  different  kinds  of  transfer  RNA,  each  with  a different  base  sequence.  Each  kind  of  transfer  RNA  is  responsible  for attaching  to  specific  amino  acids  in  the  cytoplasm.  Once  attached  it  transfers  the  amino  acid  to  the  protein  being  formed  by  the  ribosome.  Scientists  believe  that  as  the  ribosome  moves  along  the messenger  RNA,  it  reads  three  bases  of  the  messenger  RNA  code  at  a time.  When  a  transfer  RNA  molecule  passes   near  the  ribosome,  it  tries  to line  up  its  bases  with  the  three  bases  at  the  messenger  RNA  in  the ribosome.  Eventually  the  transfer  RNA  with  the  matching  three-base sequence  lines  up  with  the  messenger  RNA.  When  these  two  RNAs  line up,  the  RNA  attached  to  the  transfer  RNA  is  put  into  the  proper  place  to become  part  of   the  amino  acid  being  made.

in  other  words,  a  protein  contains  at  least  one  chain  of  amino  acids. DNAs  determines  what  proteins  each  cell  can  make,  it  is  through  their unusual  properties  that  genetic  traits  pass  on  from  generation  to generation.

Genes  are  arranged  on  chromosomes  and  chromosomes  are  located  in the  nucleus  of  the  cell.  But  all  chromosomes  have  not  made  up  the  same number  of  genes.  The  chromosome  number  of  different  organisms  can  vary greatly.  For  example  a  human  cell  has  fourty-six  chromosomes  (twenty-three  pairs).   But  within  the  cells  of  a  particular  multicellular  organism, the  chromosome  number  is  usually  the  same.

Chromosomes  occur  in  pairs.  Each  member  of  a  pair  of  chromosomes  has  the same  kind  of  gene.  Since  they  are  made  up  of  genes,  one  of  each  type  of  gene  comes  from  the  father  and  one  from  the  mother.  Simple  dominant and  recessive  inheritence  controls  some  traits,  but  it  has  many  variations. One  of  them  is  incomplete  dominance.  In  it  two  traits combine  or  blend together  to  produce  a  different  trait.  There  is  nor  dominant  trait,  nor recessive. Instead  both  have  the  same  influence  within  the  organism. 

An  other variation  of  the  simple  dominant,  recessive  inhertance  is  multiple  gene inheritence.  In  it  more  than  two  genes  are  responsible  for  producing  a single  trait.  For  example  scientists  believe  that  human  hair  color  may   be controlled  by  as  many  as  twelve  different  pairs  of  genes.  This  helps  to explain  why  there  are  so  many  different  human  hair  color.  Skin  color, height,  intelligence,  body  built  and  many  other  characteristics  in  humans are  believed  to  be  controlled  by   multiple  gene  inheritence.

All  humans  have  twenty-three  pairs  of  chromosomes.  Although chromosome  pair  is  reponsible  for  certain  function,  it  is  the  twenty-third that  determines  the  sex  of  an  individual.  In  a  female  the  sex  chromosomes are  two  X  chromosomes.  Males  have  one  Y  and  one  X  chromosome.  The  Y chromosomes  considerably  smaller  than  the  X  chromosomes  and  of  course has  a  different  gene.  Some  inherited  characteristic  have  genes  located  on the  sex  chromosomes.  A  sex-linked  trait  is  an  inherited  characteristic  that has  a  gene  on  the  X  chromosome,  but  no  corresponding  gene  on  the  Y chromosome.

This  information  should  remind  you  of  Mendel's  discovery  of  factors.  Today  we  call  Mendel's  factors  genes.

When  a  cell  has  a  sudden  change  in  its  genetic  material  a  mutation  has  taken  place.  They  can  happen  at  any  time  and  occur  by  change  in random  genes.  However  genes  are  very  stable.  Normally  a  cell  can  divide from  thousands  or  millions  of  times  before  one  mutation  takes  place. Mutations  are  generally  considered  harmful,  although  some  cause  very  little  change.  Many  mutations,  however,  are  more  harmful.  Many  mutations  cause  death.  These  kind  of  mutations  are  called  lethal mutations.  Many  lethal  mutations  cause  the  organism  to  die  before  it  is born,  while  others  kill  it  after  it  is  born.  We  can  compare  the  different effects  of  mutations  by  considering  what  would  happen  if  a  screw  from  the case  alarm  clock  fell  into  the  clock's  mechanism.  The  screw  may  fall  to  the  bottom  without  harming  the  clock  (unnoticeable  mutation).  The  screw may  land  within  the  alarm,  preventing  the  clock  from  sounding  or  it  may land  within  the  timing  mechanism,  causing  the  clock  to  run  too  quickly  or too  slowly  (harmful mutation).  However,  it   is  more  likely  that  the  screw  will  affect the  mayor  works  of  the  clock,  stopping  it  altogether  (lethal  mutation).

One  of  the  types  of  mutations  is  gene  mutation.  Many  human  genetic disorders  are  believed  to  be  examples  of  gene  mutations.  A  gene  mutation occurs  when  there  are  changes  in  the  sequence.  When  a  cell  uses  a mutated  gene  to  make  messenger  RNA,  the  RNA  will  have  the  wrong  code.  If  the  incorrect  protein  has  only  one  or  two  amino  acids  out  of  place,  the  mutation  is  often  minor.  These  proteins  will  probably  work, though  not  as  well  as  they  should.  Sometimes  gene  mutations  do  not  affect  the  organism  at  all.  If  it  occurs  in  a  gene  the  cell  does  not  use,  the mutation  will  not  affect  the  cell.

Mutations  that  occur  in  the  body  cells  are  called  somatic  mutation. These  kind  of  mutations  are  not  passed  on  the  next  generations.  Mutations  that  occurs  in  gamete  forming  cell  are  germ  mutation.  A  germ mutation  may  not  affect  the  organism  that  has  it,  but  could  affect  its offsprings.  If  an  organism  develops  from  a  mutated  gamete  forming  cell, each  of  the  offspring's  cells  will  receive  the  mutated  gene.  Fortunately  most  gene  mutations  are  recessive  and  since  most  organisms  have  two  of every  gene,  it  will  probably  appear  normal.  However after  a  number  of  generations, it  is  possible  that  two  gametes  with  this  mutation  will  unite.  The  organism  that  results  will  have  two  mutated  and  therefore  will  express  the  mutant  characteristic.

The  other  very  important  kind  of  mutation  is  chromosomal  mutation.  It  is  a  mutation  involving  the  number  of  chromosomes,  or  the number  arrangement  of  genes  on  a  chromosome.

Unlike  gene  mutations  it  doesn't  involve  the  making  of  new  proteins,  but it  may  cause  the  organism  to  have  some  different characteristics.  When  a  cell  has  a  mutation  that  changes  the  number  of chromosomes  or  the  number  of  genes  on  a  chromosome,  the  cell  receives too  many  or  too  few  gene.  As  with  gene  mutation,  a  chromosomal  mutation  may  be  a  somatic  mutation  or  a  germ  mutation.  A  somatic chromosomal  mutation  may  have  little  effect  on  the  organism  and  will  not be  passed  on  to  the  offspring.  A  germ  chromosomal  mutation  affect  the entire  organism  that  grows  from  the mutated  gamete.

In  the  past  ten  years  man's  knowledge  of  genetics  has  increased remarkably.  Today  scientists  are  even  working  with  individual  genes.  The use of  special  techniques  to  control  the  genetic  made-up  of  an  offspring  is called  genetic  engineering.  One  area  of  genetic engineering   involves  isolating  individual  genes  and  transferring  them  to  other  cells.  Scientists have  used  this  technique  to  put  a  gene  for  a  human  hormone  inside  a bacterium.  Eventually  the  bacteria  divides  and  forms  a  colony  of  hormone-producing  cell.  After  the  colony  becomes  large  enough,  scientists  kill  the bacteria  and  remove  the  hormone.  This  process  can  help  supply  certain necessary  hormones  for  people  who  cannot  produce  enough  for  themselves. Genetic  engineering  can  be  very  beneficial.  In  time  it  may  be
possible  to  "select  and  design"  genes  for  organisms.  Genetic  engineering, however,  could  create  more  serious  problems.  For  example,  if  the  scientist made  a  small  mistake  while  working  with  a  virus,  he  might  create  a disease  organism  that  could  destroy  many  living  things.  Before  genetic engineering  processes  much  further,  people  need  to  decide  if  genetic engineering  truly  worth  the  risk.

As  you  can  see  now,  genetic  is  a  very  wide,  important  area,  but  it can  also  become  dangerous.