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Bio­tech­no­lo­gie

Vor­be­mer­kun­gen

 

Bil­dungs­plan­über­sicht

Schul­jahr Bil­dungs­plan­ein­hei­ten Zeit­rich­t-wert Ge­sam­t-stun­den
Ein­gangs­klas­se Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP) 60
1 Zel­len als Funk­ti­ons­ein­hei­ten des Le­bens und die Rol­le der zel­lu­lä­ren Ma­kro­mo­le­kü­le
28
2 Auf­bau und Funk­ti­on von Bio­mem­bra­nen
18
3 Struk­tur und Funk­ti­on von Pro­te­inen
20
4 Funk­ti­on von En­zy­men als zel­lu­lä­re Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren
20
5 Struk­tur von Nu­kle­in­säu­ren und Ver­viel­fäl­ti­gung von DNA
24
6 La­bor­übun­gen
40 (40) 210 (40)
Zeit für Leis­tungs­fest­stel­lung 30
240 (40)
Jahr­gangs­stu­fe 1 Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP) 60
7 Ge­ne­ti­sche In­for­ma­ti­on als Grund­la­ge für bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren in der Me­di­zin
10
8 Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on: Bio­syn­the­se von Pro­te­inen und he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on
36
9 Re­pro­duk­ti­ons­bio­lo­gie des Men­schen und Re­ge­ne­ra­ti­ons­me­di­zin
14
10 Ent­ste­hung, Ver­er­bung, Nach­weis und The­ra­pie von Mu­ta­tio­nen im men­sch­li­chen Ge­nom
34
11 Krebs und Si­gnal­trans­duk­ti­on
16
12 La­bor­übun­gen
40 (40) 210 (40)
Zeit für Leis­tungs­fest­stel­lung 30
240 (40)
Jahr­gangs­stu­fe 2 Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP) 48
13 Zel­lu­lä­rer Stoff­wech­sel am Bei­spiel der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on: Zel­l­at­mung
38
14 An­ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on: Gly­k­o­ly­se mit Gä­rung
8
15 Bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on
42
16 La­bor­übun­gen
32 (32) 168 (32)
Zeit für Leis­tungs­fest­stel­lung 30
192 (32)
Die Zeit­richt­wer­te in Klam­mern ge­ben den An­teil der St­un­den in Grup­pen­tei­lung an.

Ein­gangs­klas­se

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

60

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Ana­lo­ges oder di­gi­ta­les Mo­dell ei­ner Zel­le als Bau- und Funk­ti­ons­ein­heit
Struk­tur-Funk­ti­ons­be­zie­hung, Ar­bei­ten mit Mo­le­kül­bau­käs­ten: So­ma­to­sta­tin-A­na­lo­gon, An­wen­dung in der Me­di­zin
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 1

Zel­len als Funk­ti­ons­ein­hei­ten des Le­bens und die Rol­le der zel­lu­lä­ren Ma­kro­mo­le­kü­le

28

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen die Bio­tech­no­lo­gie als na­tur­wis­sen­schaft­li­che Dis­zi­plin, die na­tür­lich vor­kom­men­de Pro­zes­se nutzt und in ver­schie­dens­ten Be­rei­chen des Le­bens zum Ein­satz kommt. Sie be­grei­fen die Zel­le als grund­le­gen­de Bau- und Funk­ti­ons­ein­heit des Le­bens. Die Kennt­nis­se über Zell­struk­tu­ren und che­mi­sche Bau­stei­ne von Zel­len bil­den die Grund­la­ge für das Ver­ständ­nis der prin­zi­pi­el­len Vor­gän­ge in Zel­len, die in bio­lo­gi­schen Zu­sam­men­hän­gen dar­ge­stellt und er­fasst wer­den und die als ge­mein­sa­me Merk­ma­le al­ler zel­lu­lä­ren Sys­te­me Ei­gen­schaf­ten von Le­be­we­sen be­din­gen und er­mög­li­chen. Die­se Ab­läu­fe die­nen zu­dem als Aus­gangs­punkt für ei­nen Ein­blick in die bio­tech­no­lo­gi­sche An­wend­bar­keit zel­lu­lä­rer Pro­zes­se.

BPE 1.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen An­wen­dungs­ge­bie­te für bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren und Pro­duk­te bio­tech­no­lo­gisch re­le­van­ter Mi­kro­or­ga­nis­men.

Be­griffs­be­stim­mung Bio­tech­no­lo­gie: his­to­ri­sche Be­trach­tung, in­ter­dis­zi­pli­nä­rer Cha­rak­ter

Me­di­zin, Le­bens­mit­tel, Um­welt und Ent­sor­gung, In­dus­trie­pro­zes­se, Land­wirt­schaft
Far­ben der Bio­tech­no­lo­gie
Be­rufs­ori­en­tie­rung: Tä­tig­kei­ten im Be­reich „Life Sci­en­ces“

BPE 1.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Kenn­zei­chen des Le­bens und er­läu­tern den Weg des na­tur­wis­sen­schaft­li­chen Er­kennt­nis­ge­winns zur Un­ter­su­chung von Zel­len als Bau­ein­hei­ten von Le­be­we­sen.

Stoff­wech­sel, Wachs­tum, Ver­meh­rung, Reiz­bar­keit, Be­we­gung

Be­ob­ach­tung, Fra­ge­stel­lung, Hy­po­the­se, Un­ter­su­chung, Er­geb­nis, Deu­tung und Be­wer­tung, Theo­rie­bil­dung

BPE 1.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die hier­ar­chi­sche Struk­tur ei­nes Or­ga­nis­mus bis zur Zel­le. Sie ver­glei­chen den Auf­bau von Pro- und Eu­cy­te durch Be­nen­nung der Or­ga­nel­len und nen­nen Bei­spiel­or­ga­nis­men. Sie be­schrei­ben ex­em­pla­risch Un­ter­schie­de im Auf­bau und in Ei­gen­schaf­ten von Zel­len im Ver­gleich zu Vi­ren. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len bild­ge­ben­de Ver­fah­ren im Über­blick dar und be­grün­den de­ren Not­wen­dig­keit für die funk­tio­nel­le Un­ter­su­chung von Zell­struk­tu­ren.

Vom Or­ga­nis­mus zur Zel­le
Or­ga­nis­mus, Or­ga­ne, Ge­we­be, Zel­le
Pro­ka­ryo­ten: Bak­te­ri­en
Eu­ka­ryo­ten: Pil­ze, Pflan­zen, Tie­re
licht- und elek­tro­nen­mi­kro­sko­pi­sche Auf­nah­men
Auf­bau von Bak­te­rio­pha­gen
Ab­gren­zung zum Le­ben­di­gen
Licht‑, Fluo­res­zenz‑, Elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie
vgl. BPE 6
Ver­grö­ße­rung, Auf­lö­sungs­ver­mö­gen

Gren­zen der Aus­sa­ge­kraft bild­ge­ben­der Ver­fah­ren

BPE 1.4

An­hand der Syn­the­se und Se­kre­ti­on ei­nes Pro­te­ins er­klä­ren die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ex­em­pla­risch Auf­bau und Funk­ti­on der be­tei­lig­ten Zell­or­ga­nel­len im Zu­sam­men­hang so­wie das Prin­zip der Kom­par­ti­men­tie­rung.

Zell­kom­par­ti­men­te, ‑or­ga­nel­len: Cy­to­plas­ma, Zell­kern, ER mit Vesi­keln, Ri­bo­som, Gol­gi-Ap­pa­rat mit Vesi­keln, Mi­to­chon­dri­en
Chlo­ro­plas­ten, vgl. BPE 2
Zen­tra­les Dog­ma der Mo­le­ku­lar­bio­lo­gie

Syn­the­se­weg: se­zer­nier­tes Pro­te­in

BPE 1.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben che­mi­sche Ei­gen­schaf­ten des Was­sers und be­grün­den des­sen Rol­le als Haupt­be­stand­teil von Zel­len. Aus­ge­hend von Bau und Funk­ti­on der Or­ga­nis­men und Zel­len be­nen­nen Schü­le­rin­nen und Schü­ler
Bio­m­a­kro­mo­le­kü­le und de­ren Mo­no­me­re so­wie de­ren Be­deu­tung für den Auf­bau und die Funk­ti­on von Zel­len.

Cy­to­plas­ma als wäss­ri­ge Lö­sung

Was­ser als Lö­sungs­mit­tel: hy­dro­phil in Ab­gren­zung zu hy­dro­phob, Di­pol­ei­gen­schaft

Bau­prin­zip: Mo­no­mer, Po­ly­mer
Mo­del­le, Struk­tur- und Funk­ti­ons­prin­zip
Mo­no­sac­cha­ri­de, Po­ly­sac­cha­ri­de
ex­tra­zel­lu­lä­re Ma­trix, En­er­gie­lie­fe­rant
Fett­säu­ren, Li­pi­de
Bio­mem­bran, vgl. BPE 2
Ami­no­säu­ren, Pro­te­ine
En­zy­me, Bio­mem­bran, vgl. BPE 3 – 4
Nu­kleo­ti­de, Nu­kle­in­säu­ren
Erb­gut, Ri­bo­so­men, vgl. BPE 5

BPE 2

Auf­bau und Funk­ti­on von Bio­mem­bra­nen

18

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler for­mu­lie­ren Fra­ge­stel­lun­gen zum Auf­bau und zur Funk­ti­on ei­ner Bio­mem­bran. Aus ex­pe­ri­men­tel­len Er­geb­nis­sen ent­wi­ckeln sie Mo­del­le bzw. Mo­dell­vor­stel­lun­gen zum Aufbau der Bio­mem­bran. Die Kennt­nis über die mo­le­ku­la­re Struk­tur so­wie die Ei­gen­schaf­ten der Be­stand­tei­le er­mög­licht es ih­nen, Rück­schlüs­se auf die Ei­gen­schaf­ten der Bio­mem­bra­nen zu zie­hen. Auf der Ba­sis der Struk­tur-Funk­ti­ons­zu­sam­men­hän­ge er­klä­ren sie so­wohl die Funk­ti­on der Be­gren­zung als auch den Stoff­aus­tausch. Sie ver­ste­hen die Zel­le als of­fe­nes Sys­tem.

BPE 2.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Funk­tio­nen der Bio­mem­bran und lei­ten aus Un­ter­su­chun­gen Bau­stei­ne und Bau­prin­zi­pi­en von Bio­mem­bra­nen ab.

Stoff­bar­rie­re, Grund­la­ge der Kom­par­ti­men­tie­rung
li­po­phi­le, hy­dro­phi­le Stof­fe, vgl. BPE 1
Ort des se­lek­ti­ven Trans­ports

Spe­zi­fi­sche Ober­flä­chen­struk­tur
Zel­l-Zel­l-Kon­takt, Kom­mu­ni­ka­ti­on, Ei­gen-Frem­d-Er­ken­nung
Mem­bran­li­pi­de, Mem­bran­pro­te­ine
sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung, Rot­kohl­ver­su­che
Dop­pel­schicht­struk­tur
Öl­fleck­ver­such, Gor­ter und Gren­del
Gly­ce­rin, Fett­säu­ren,
Phos­phat, Phos­pho­li­pi­de
Er­ken­nen der Struk­tur­for­meln, Par­al­le­li­sie­rung mit sche­ma­ti­scher Dar­stel­lung
Gly­ko­li­pi­de, Gly­ko­pro­te­ine
sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung

BPE 2.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Auf­bau von Mem­bra­nen aus Mem­bran­li­pi­den und -pro­te­inen sche­ma­tisch dar. Sie ent­wi­ckeln und be­wer­ten Mo­del­le der Bio­mem­bran.

Bau- und Funk­ti­ons­mo­del­le

Re­fe­renz: Flüs­si­g-Mo­sa­ik-Mo­dell

BPE 2.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben und er­klä­ren den Pro­zess der Teil­chen­dif­fu­si­on und in­ter­pre­tie­ren ent­spre­chen­de Dia­gram­me.

Un­ge­rich­te­te Zu­falls­be­we­gung

Kon­zen­tra­ti­ons­gra­di­ent und ‑aus­gleich
En­tro­pie, Stoß­wahr­schein­lich­keit
Tem­pe­ra­tur‑, Kon­zen­tra­ti­ons- und Teil­chen­grö­ßen­ab­hän­gig­keit der Dif­fu­si­ons­ge­schwin­dig­keit
z. B. Ge­schwin­dig­keit in Ab­hän­gig­keit von der ex­tra­zel­lu­lä­ren Kon­zen­tra­ti­on

BPE 2.4

Aus den Lö­sungs­ei­gen­schaf­ten, der Grö­ße und den Kon­zen­tra­ti­ons­un­ter­schie­den der zu trans­por­tie­ren­den Stof­fe lei­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler Trans­port­form und
-rich­tung an der Mem­bran ab. Sie er­klä­ren den Ab­lauf zel­lu­lä­rer Trans­port­vor­gän­ge und stel­len die Vor­gän­ge sche­ma­tisch und mo­dell­haft dar.

Pas­si­ver Trans­port

  • ein­fa­che Dif­fu­si­on

  • er­leich­ter­te Dif­fu­si­on: Car­ri­er, Ka­nä­le

Ak­ti­ver Trans­port: Pum­pen

Os­mo­se
Plas­m­o­ly­se, De­plas­m­o­ly­se, vgl. BPE 6
Exo‑, En­do­cy­to­se
vgl. BPE 1

BPE 3

Struk­tur und Funk­ti­on von Pro­te­inen

20

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler voll­zie­hen den Weg der wis­sen­schaft­li­chen Er­kennt­nis­ge­win­nung nach. Sie er­ken­nen, dass Pro­te­ine die Viel­zahl ih­rer Funk­tio­nen in Zel­len und Or­ga­nis­men auf der Grund­la­ge ih­rer Struk­tur­viel­falt aus­üben kön­nen. Sie be­grei­fen, dass struk­tu­rel­le Viel­falt durch ein Bau­stein-Prin­zip er­zielt wird und dass nach dem Prin­zip Struk­tur und Funk­ti­on die spe­zi­fi­sche, aber auch ver­än­der­ba­re Raum­struk­tur ei­nes Pro­te­ins sei­ne Funk­ti­on er­mög­licht.

BPE 3.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus be­kann­ten Zell­struk­tu­ren und -funk­tio­nen grund­le­gen­de Funk­tio­nen von Pro­te­inen ab und be­schrei­ben de­ren Zu­sam­men­spiel in der Zel­le und im Or­ga­nis­mus.

En­zy­me

Struk­tur‑, Spei­cher‑, Trans­port­pro­te­ine

Re­zep­to­ren, Si­gnal­pro­te­ine

Mo­tor­pro­te­ine

Pro­te­ine der Im­m­un­ab­wehr

BPE 3.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Auf­bau von Pro­te­inen als Po­ly­me­re und stel­len aus der Funk­ti­ons­viel­falt Hy­po­the­sen zur Struk­tur­viel­falt auf.

Pro­teino­ge­ne Ami­no­säu­ren als Bau­stei­ne

Kom­bi­na­to­rik, Be­rech­nun­gen
Va­ria­ti­ons­mög­lich­kei­ten z. B. für ein Di­pep­tid
Funk­ti­ons­viel­falt durch Struk­tur­viel­falt am Bei­spiel der Im­mun­glo­bu­li­ne G (IgG)
sche­ma­ti­sche und drei­di­men­sio­na­le Dar­stel­lung

BPE 3.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren den grund­le­gen­den che­mi­schen Auf­bau der pro­teino­ge­nen Ami­no­säu­ren und be­schrei­ben de­ren Säu­re-Ba­se-Ver­hal­ten.

All­ge­mei­ne Struk­tur pro­teino­ge­ner Ami­no­säu­ren
Nach­weis der Ele­men­te H, O, C, N (Haar­ana­ly­se)
Ami­no­säu­ren in Le­wis-Schreib­wei­se

Säu­re-Ba­se-De­fi­ni­ti­on nach Brøn­sted
Pro­to­nen­über­gangs­re­ak­tio­nen

BPE 3.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus den Struk­tur­for­meln der pro­teino­ge­nen Ami­no­säu­ren Ei­gen­schaf­ten der Sei­ten­ket­ten und dar­aus re­sul­tie­ren­de Mög­lich­kei­ten der Grup­pie­rung ab.

Un­po­la­re Sei­ten­ket­ten

Po­la­re, un­ge­la­de­ne Sei­ten­ket­ten

Ba­si­sche Sei­ten­ket­ten

Sau­re Sei­ten­ket­ten

BPE 3.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Auf­bau von Pro­te­inen aus Ami­no­säu­re­mo­no­me­ren dar und be­grün­den ih­re Raum­struk­tur mit ih­rer Ami­no­säu­re­se­quenz und den dar­aus re­sul­tie­ren­den che­mi­schen Wech­sel­wir­kun­gen. Sie fas­sen das Prin­zip „Struk­tur und Funk­ti­on“ am Bei­spiel der Im­mun­glo­bu­li­ne zu­sam­men.

Pri­mär­struk­tur, Pep­tid­bin­dung in Struk­tur­for­meln
Hy­dro­ly­se, Kon­den­sa­ti­on
Ami­no­säu­re­se­quenz im IU­PAC-Buch­sta­ben­code
Ein- und Drei-Buch­sta­ben­code
Se­kun­där­struk­tur: α-He­lix, β-Falt­blatt,
Sta­bi­li­sie­rung durch H-Brü­cken im Pep­tidrück­grat

Ter­ti­är­struk­tur: Sta­bi­li­sie­rung durch Wech­sel­wir­kun­gen und Di­sul­fidbin­dun­gen zwi­schen den Sei­ten­ket­ten
hy­dro­pho­be Wech­sel­wir­kun­gen, H-Brü­cken, io­ni­sche Wech­sel­wir­kun­gen
Quar­t­är­struk­tur
Hä­mo­glo­bin
Im­mun­glo­bu­lin G (IgG)

  • zwei H‑, zwei L-Ket­ten, Di­sul­fidbin­dun­gen

  • va­ria­ble Do­mä­ne: Im­mun­kom­plex-Bil­dung
vgl. BPE 7
  • kon­stan­te Do­mä­ne, gly­ko­sy­liert
Mo­di­fi­ka­ti­on der Im­mun­ant­wort
vgl. BPE 2, BPE 7

BPE 3.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­klä­ren Ur­sa­chen für die De­na­tu­rie­rung von Pro­te­inen.

De­fi­ni­ti­on: De­na­tu­rie­rung, Re­na­tu­rie­rung

Kon­for­ma­ti­ons­än­de­rung

Hit­ze, pH-Wer­t-Än­de­run­gen, Schwer­me­tal­lio­nen

BPE 4

Funk­ti­on von En­zy­men als zel­lu­lä­re Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren

20

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen die zen­tra­le Rol­le der En­zy­me als Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren des Stoff­wech­sels. Sie er­klä­ren die Viel­falt und das Zu­sam­men­spiel von Stoff­wech­sel­re­ak­tio­nen auf der Grund­la­ge un­ter­schied­li­cher Spe­zi­fi­tä­ten ver­schie­de­ner En­zy­me und ver­tie­fen so die Er­kennt­nis über die be­son­de­re Be­deu­tung von Struk­tur-Funk­ti­onsbezie­hun­gen, hier am Bei­spiel des Schlüs­sel-Schlos­s-Prin­zips, bei der Wech­sel­wir­kung der kom­ple­men­tä­ren Ober­flä­chen­struk­tu­ren von En­zym und Sub­strat. Dar­über hin­aus be­grei­fen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler, dass Zel­len sich durch En­zym­re­gu­la­ti­on an ver­än­der­te stoff­wech­sel­phy­sio­lo­gi­sche Be­dürf­nis­se an­pas­sen.

BPE 4.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen ka­ta­ly­sier­te che­mi­sche Re­ak­tio­nen und ver­glei­chen sie mit nich­t-ka­ta­ly­sier­ten Re­ak­tio­nen. Sie in­ter­pre­tie­ren Dia­gram­me, die ei­nen Re­ak­ti­ons­ver­lauf dar­stel­len.

Ka­ta­ly­tisch wirk­sa­me Ober­flä­che
Pla­tin, Ka­ta­lase
En­er­gie-Re­ak­ti­ons­ver­lauf-Dia­gramm: Ak­ti­vie­rungs­en­er­gie
Re­ak­ti­ons­weg

BPE 4.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren mit­hil­fe von Ver­su­chen die Spe­zi­fi­tät der en­zy­mati­schen Ka­ta­ly­se und er­klä­ren die­se mit­hil­fe von Mo­del­len.

Schlüs­sel-Schlos­s-Prin­zip
In­du­ce­d-Fit-Mo­dell, vgl. BPE 3
Ak­ti­ves Zen­trum, En­zym-Sub­stra­t-Kom­plex

Sub­strat‑, Wir­kungs­spe­zi­fi­tät
N-Me­thyl­harn­stoff, Urea­se

BPE 4.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus Ver­su­chen op­ti­ma­le Re­ak­ti­ons­be­din­gun­gen für die en­zy­mati­sche Ka­ta­ly­se ab.

Tem­pe­ra­tur-Op­ti­mum
vgl. BPE 3
pH-Wer­t-Op­ti­mum

Me­tal­lio­nen als Co­fak­to­ren

Co­sub­stra­te als Co­fak­to­ren
vgl. BPE 13

BPE 4.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen die Um­satz­ra­ten en­zy­matisch ka­ta­ly­sier­ter Re­ak­tio­nen in Ab­hän­gig­keit von der Sub­strat­kon­zen­tra­ti­on. Sie stel­len die Er­geb­nis­se gra­fisch dar und lei­ten dar­aus wich­ti­ge Pa­ra­me­ter zur Be­schrei­bung der En­zym­ki­ne­tik ab.

En­zym­ki­ne­tik nach Mi­chae­lis-Men­ten
Mo­dell­ver­such, vgl. BPE 6
Ka­ta­ly­se­zy­klus

vmax, Km

BPE 4.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­klä­ren die Wir­kung von Ef­fek­to­ren auf die En­zym­ki­ne­tik.

Kom­pe­ti­ti­ve In­hi­bi­to­ren
vgl. BPE 3
Nich­t-kom­pe­ti­ti­ve Ef­fek­to­ren, Al­los­te­rie
vgl. BPE 13

BPE 5

Struk­tur von Nu­kle­in­säu­ren und Ver­viel­fäl­ti­gung von DNA

24

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­ken­nen an­hand des Me­cha­nis­mus der DNA-Re­pli­ka­ti­on, dass der che­mi­sche Auf­bau der DNA ein wei­te­res Bei­spiel für ei­ne Struk­tur-Funk­ti­onsbezie­hung dar­stellt. Sie ver­ste­hen, dass es das Prin­zip der Kom­ple­men­ta­ri­tät er­laubt, ei­ne un­be­grenz­te An­zahl von Ko­pi­en die­ses Mo­le­küls her­zu­stel­len und auf die­se Wei­se die Ver­er­bung in Form der Wei­ter­ga­be von Ko­pi­en der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on zu rea­li­sie­ren. Fer­ner wird ih­nen be­wusst, dass die­ser kom­ple­xe bio­lo­gi­sche Vor­gang das Er­geb­nis der Ak­ti­vi­tät ei­ner mo­le­ku­la­ren Ma­schi­ne­rie ist. Am Bei­spiel der Ver­viel­fäl­ti­gung von DNA mit­tels Po­ly­me­ra­seket­ten­re­ak­ti­on (PCR) wird ver­deut­licht, dass aus ei­nem na­tür­li­chen Vor­gang, hier der Re­pli­ka­ti­on, ei­ne in vi­tro Me­tho­de ab­ge­lei­tet wer­den kann. Sie er­ken­nen die Be­deu­tung der PCR als Tech­no­lo­gie.

BPE 5.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus der Be­trach­tung his­to­ri­scher Ex­pe­ri­men­te die trans­for­mie­ren­de Wir­kung von DNA ab und stel­len den na­tur­wis­sen­schaft­li­chen Er­kennt­nis­ge­winn dar.

Ent­de­ckung der Nu­kle­in­säu­ren
Fried­rich Mie­scher
Trans­for­ma­ti­ons­ex­pe­ri­men­te von Grif­fith, Avery
vgl. BPE 8, BPE 12
Hers­he­y-Cha­se-Ex­pe­ri­ment, Iso­to­pen­mar­kie­rung

BPE 5.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den che­mi­schen Auf­bau von Nu­kleo­ti­den so­wie der Nu­kle­in­säu­ren als de­ren Po­ly­me­re in Struk­tur­for­mel­schreib­wei­se dar und nen­nen struk­tu­rel­le Un­ter­schie­de zwi­schen DNA und RNA. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler deu­ten Nu­kle­in­säu­re­se­quen­zen als in­for­ma­ti­ons­tra­gen­de Struk­tu­ren.

Des­oxy­ri­bo­se bzw. Ri­bo­se, Nu­kle­o­ba­sen

Mo­no‑, Di‑, Tri­phos­phat

N-gly­ko­si­di­sche Bin­dung, Phos­phor­säu­rees­ter- und An­hy­dri­d-Bin­dung

Nu­kleo­sid, Nu­kleo­tid

Kon­den­sa­ti­ons- und Hy­dro­ly­se­re­ak­ti­on

Nu­kle­in­säu­re­se­quenz: IU­PAC-Code, Strang­po­la­ri­tät

DNA-Dop­pel­strang: Kom­ple­men­ta­ri­tät, An­ti­par­al­le­li­tät, De- und Re­na­tu­rie­rung
Was­ser­stoff­brü­cken, vgl. BPE 3
Raum­struk­tur der DNA: Dop­pel­he­li­x-Mo­dell

RNA: Ein­zel­strang, Se­kun­där­struk­tu­ren
tRNA, vgl. BPE 8
Ba­sen­ab­fol­ge be­inhal­tet In­for­ma­ti­on
vgl. BPE 8

BPE 5.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen die Or­ga­ni­sa­ti­ons­form und die Wei­ter­ga­be der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on bei der pro- und eu­ka­ryo­ti­schen Zell­tei­lung. Sie fas­sen die Ab­schnit­te des eu­ka­ryo­ti­schen Zell­zy­klus zu­sam­men und be­schrei­ben den da­mit ver­bun­de­nen Ge­stalt­wan­del der Chro­mo­so­men. Sie ge­ben Kon­troll­punk­te des Zell­zy­klus an und be­grün­den die Not­wen­dig­keit ei­ner Zell­zy­klus­kon­trol­le.

Pro­ka­ryo­ten: Bak­te­ri­en­chro­mo­som, Plas­mi­de

Zell­tei­lung bei Pro­ka­ryo­ten

Eu­ka­ryo­ten: Chro­ma­tin bzw. Chro­mo­so­men

Cen­tro­mer und Te­lo­mer

Zell­zy­klus
Ad­van­ce Or­ga­ni­zer
  • In­ter­pha­se: G1‑, S‑, G2-Pha­se

  • M-Pha­se: Mito­se (Pro‑, Me­ta‑, Ana‑, Te­lo­pha­se) und Cy­to­ki­ne­se
vgl. BPE 9
Mito­se- und In­ter­pha­se-Chro­mo­so­men
Mo­del­le
  • Kon­den­sa­ti­ons­grad
Euch­ro­ma­tin, He­tero­ch­ro­ma­tin, vgl. BPE 9
  • Ein- bzw. Zwei-Chro­ma­tid­chro­mo­so­men

Zell­zy­klus­kon­trol­le: Tei­lungs­ak­ti­vi­tät von Zel­len
vgl. BPE 11
  • G1‑, G2‑, M-Kon­troll­punkt
sche­ma­ti­sche Dar­stel­lung
  • Cy­clin-CdK-Kom­ple­xe

  • Prin­zip: Ar­re­tie­rung am Kon­troll­punkt

  • Ein­lei­ten der Apo­pto­se

  • G0-Pha­se: Aus­tritt aus dem Zell­zy­klus

BPE 5.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler dis­ku­tie­ren auf der Ba­sis des Dop­pel­he­li­x-Mo­dells mög­li­che Me­cha­nis­men der DNA-Re­pli­ka­ti­on und be­ur­tei­len die Er­geb­nis­se des Me­sel­son-S­tahl-Ex­pe­ri­ments in Be­zug auf den zel­lu­lä­ren Re­pli­ka­ti­ons­me­cha­nis­mus.

Se­mi­kon­ser­va­tiv, kon­ser­va­tiv, di­spers

Me­sel­son-S­tahl-Ex­pe­ri­ment

  • Iso­to­pen­mar­kie­rung

  • Dich­te­gra­di­en­ten­zen­tri­fu­ga­ti­on
Mo­dell­ver­such

BPE 5.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern den mo­le­ku­la­ren Me­cha­nis­mus der Re­pli­ka­ti­on bei Pro­ka­ryo­ten mit den be­tei­lig­ten Mo­le­kü­len.

Initia­ti­on, Elonga­ti­on, Ter­mi­na­ti­on

He­li­ca­se, SSB-Pro­te­ine, RNA-Pri­mer

Kon­ti­nu­ier­li­che, dis­kon­ti­nu­ier­li­che Syn­the­se: Leit‑, Fol­ge­strang, Oka­z­aki-Frag­men­te, Li­ga­ti­on
Syn­the­se­rich­tung 5' nach 3'
Pri­ma­se, DNA-ab­hän­gi­ge DNA-Po­ly­me­ra­sen, RNa­seH, DNA-Li­ga­se, dNTPs
DNA-Po­ly­me­ra­se III und DNA-Po­ly­me­ra­se I
Des­oxy­ri­bo­nu­kleo­sid­tri­phos­pha­te: dATP, dCTP, dGTP, dTTP
pro­of-rea­ding

BPE 5.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen die Ge­mein­sam­kei­ten und Un­ter­schie­de der Wei­ter­ga­be ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on bei ver­ti­ka­lem bzw. ho­ri­zon­ta­lem Gen­trans­fer.

Re­pli­ka­ti­on bei Zell­tei­lung

Kon­ju­ga­ti­on bei Bak­te­ri­en: F‑, R-Plas­mi­de
mul­ti­re­sis­ten­te Bak­te­ri­en­stäm­me, Plas­mi­de als Vek­to­ren, vgl. BPE 8, BPE 12
Trans­for­ma­ti­on

BPE 5.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len An­wen­dungs­mög­lich­kei­ten der Po­ly­me­raseket­ten­re­ak­ti­on im Über­blick dar.

Nach­weis von Krank­heits­er­re­gern
vgl. BPE 7
Klo­nie­rung am­pli­fi­zier­ter DNA
vgl. BPE 8
Nach­weis krank­heits­aus­lö­sen­der Al­le­le
vgl. BPE 10
DNA-Ty­pi­sie­rung
vgl. BPE 10, BPE 12
Cha­rak­te­ri­sie­rung von fos­si­ler DNA (aD­NA)
who­le-ge­no­me-P­CR und Se­quen­zie­rung des Ge­noms von H. ne­an­dertha­len­sis für Phy­lo­ge­nie

BPE 5.8

Aus dem Me­cha­nis­mus der zel­lu­lä­ren DNA-Re­pli­ka­ti­on lei­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­for­der­li­che Kom­po­nen­ten und Ab­läu­fe für ei­ne in vi­tro DNA-Am­pli­fi­ka­ti­on ab. Sie be­schrei­ben den Ab­lauf der PCR.

PCR: Tem­pla­te-D­NA, Pri­mer-Paar, Taq-Po­ly­me­ra­se, Re­ak­ti­ons­puf­fer mit dNTPs
vgl. BPE 12
Prin­zi­pi­el­le Pha­sen

  • De­na­tu­rie­rung, An­nea­ling, Po­ly­me­ri­sa­ti­on

  • zy­kli­sche, ex­po­nen­ti­el­le Am­pli­fi­ka­ti­on der Ziel-D­NA

Tem­pe­ra­tur-Zeit-Pro­fil

BPE 5.9

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler prü­fen zu be­ach­ten­de As­pek­te des Pri­mer-De­signs.

Pri­mer-Spe­zi­fi­tät

An­nea­lin­g-Tem­pe­ra­tur, Be­rech­nung des Tm-Werts
Wal­lace Re­gel
Pri­mer-Ori­en­tie­rung
Syn­the­se­rich­tung: 3'-En­den zu­ein­an­der ge­wandt

BPE 6

La­bor­übun­gen

40 (40)

Die La­bor­übun­gen füh­ren die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in grund­le­gen­de mi­kro- und mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Ar­beits­wei­sen ein und ge­ben im Sin­ne ei­ner Be­rufs­ori­en­tie­rung ei­nen Ein­blick in das na­tur­wis­sen­schaft­lich-ex­pe­ri­men­tel­le Ar­bei­ten im La­bor. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen, dass er­ar­bei­te­te Er­geb­nis­se in ih­rer Va­li­di­tät zu über­prü­fen und ab­zu­si­chern sind. Dar­über hin­aus er­ken­nen sie das Po­tenzial di­gi­ta­ler Me­di­en bei der Auf­be­rei­tung und Aus­wer­tung der ex­pe­ri­men­tel­len Da­ten. Die Ex­pe­ri­men­te ori­en­tie­ren sich an In­hal­ten des Theo­rie­un­ter­richts und ver­an­schau­li­chen den Schü­le­rin­nen und Schü­lern die teil­wei­se sehr abs­trak­ten Mo­dell­vor­stel­lun­gen, die hin­ter be­ob­ach­te­ten bio­lo­gi­schen und bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­zes­sen ste­hen.

BPE 6.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Ge­fähr­dun­gen bei prak­ti­schen Tä­tig­kei­ten im Un­ter­richt und er­läu­tern Maß­nah­men zum Ar­beits- und Ge­sund­heits­schutz. Sie be­schrei­ben an­ge­mes­se­nes Ver­hal­ten in Not­fall­si­tua­tio­nen.

Si­cher­heits­un­ter­wei­sun­gen
RiSU
Be­triebs­an­wei­sun­gen

Ver­suchs­an­lei­tun­gen mit Hin­wei­sen zum Ar­beits- und Ge­sund­heits­schutz

BPE 6.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben Auf­bau und Funk­ti­on ei­nes Licht­mi­kro­skops. Sie un­ter­su­chen, zeich­nen und in­ter­pre­tie­ren das licht­mi­kro­sko­pi­sche Bild ver­schie­de­ner Zell­ty­pen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern be­ob­ach­te­te zel­lu­lä­re Vor­gän­ge.

Licht­mi­kro­sko­pie: pro- und eu­ka­ryo­ti­sche Zel­len
Zell­wand, Zell­mem­bran, Chlo­ro­plast, Va­kuo­le, Nu­kle­us, Zell­form, Be­gei­ße­lung
Oku­lar, Ob­jek­tiv, Kreuz­tisch, Aper­tur­blen­de, Kon­den­sor, Leucht­feld­blen­de
Köh­ler­sche Be­leuch­tung
Kon­tras­tie­rungs­ver­fah­ren
Gram-Fär­bung, Lugol­sche Lö­sung, Hell‑, Dun­kel­feld, Me­thy­len­blau-Fär­bung
Plas­m­o­ly­se, De­plas­m­o­ly­se
Epi­der­mis­zel­len ro­ter Zwie­beln

BPE 6.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler pro­to­kol­lie­ren grund­le­gen­de Ar­beits­wei­sen zur Kul­ti­vie­rung von Mi­kro­or­ga­nis­men und er­klä­ren die Be­deu­tung von Ein­zel­ko­lo­ni­en.

Nähr­me­di­en

Vo­lu­men-Mess­ge­rä­te: Mess­zy­lin­der und ‑pi­pet­ten, Mi­kro­li­ter­pi­pet­ten
Pi­pet­tier­übun­gen
Ste­ril-Ar­beits­tech­ni­ken

Rein­kul­tur: Ver­ein­ze­lungs­aus­strich, Ko­lo­nie, Klon

BPE 6.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Vor­ge­hens­wei­sen zum Nach­weis von stoff­wech­sel­phy­sio­lo­gi­schen Ei­gen­schaf­ten von Mi­kro­or­ga­nis­men. Sie dis­ku­tie­ren bio­tech­no­lo­gi­sche An­wen­dungs­mög­lich­kei­ten der mi­kro­bi­el­len Stoff­wech­sel­ei­gen­schaf­ten.

Dif­fe­ren­ti­al­me­di­en
Ge­la­ti­nea­gar, Stär­kea­gar, Chi­n­ab­lau-Lac­to­se-A­gar, vgl. BPE 4
An­ti­bio­gramm: Hemm­hof­test
An­wen­dun­gen: me­di­zi­ni­sche Dia­gnos­tik, Se­lek­ti­on gen­tech­nisch ver­än­der­ter Bak­te­ri­en

BPE 6.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­mit­teln Keim­zah­len in Flüs­sig­pro­ben. Sie be­schrei­ben das Funk­ti­ons­prin­zip ei­nes Fo­to­me­ters und be­grün­den die Not­wen­dig­keit von Kon­troll­an­sät­zen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen das Wachs­tums­ver­hal­ten von Mi­kro­or­ga­nis­men mit­hil­fe fo­to­me­tri­scher Mes­sun­gen und pro­to­kol­lie­ren Mess­ergeb­nis­se. Sie stel­len Mess­ergeb­nis­se gra­fisch dar und er­läu­tern be­ob­ach­te­te Wachs­tums­pha­sen.

Ein­strahl-Spek­tral­fo­to­me­ter: Auf­bau, Strah­len­gang, Extink­ti­on, Ab­sorp­ti­on

Po­si­tiv- und Ne­ga­tiv­kon­trol­le, Wie­der­ho­lungs- und Par­al­lel­an­sät­ze

Ge­samt­keim­zahl­be­stim­mung: OD-Mes­sung, Eich­kur­ve
Ein­satz ei­nes Ta­bel­len­kal­ku­la­ti­ons­pro­gramms, vgl. Bio­in­for­ma­tik, Ein­gangs­klas­se
Wachs­tums­kur­ve bei Bak­te­ri­en
OD-Zeit-Dia­gramm von E. co­li in Batch-Kul­tur

BPE 6.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler un­ter­su­chen die chro­ma­to­gra­fi­sche Tren­nung von Ami­no­säu­re­ge­mi­schen. Sie er­klä­ren das der Chro­ma­to­gra­fie zu­grun­de­lie­gen­de Trenn­prin­zip und be­grün­den da­mit das Lauf­ver­hal­ten ver­schie­de­ner Ami­no­säu­ren.

Mo­bi­le und sta­tio­nä­re Pha­se, Wech­sel­wir­kun­gen
vgl. BPE 3
Ami­no­säu­re-Stan­dard­lö­sun­gen zum Ver­gleich

BPE 6.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Schrit­te der DNA-I­so­lie­rung. Sie un­ter­su­chen das Ab­sorp­ti­ons­ver­hal­ten rei­ner DNA- und Pro­te­in­lö­sun­gen und er­mit­teln Kon­zen­tra­ti­on und Rein­heits­grad von Plas­mi­d-D­NA.

Zel­l­ern­te, Zell­ly­se, Fäl­lung

Ab­sorp­ti­ons­spek­trum, ‑ma­xi­ma

Kon­zen­tra­ti­on: c(dsD­NA) = A260 x 50 x Ver­dün­nungs­fak­tor µg/mL
A260 = 1 ent­spricht 50 µg/mL dsD­NA
Rein­heit: Quo­ti­ent A260/A280

Jahr­gangs­stu­fe 1

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

60

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Impf­stoff­her­stel­lung und Impf­quo­ten
Her­stel­lung von The­ra­peu­ti­ka durch Ge­ne Phar­ming
Epi­ge­ne­tik im Zu­sam­men­hang mit Evo­lu­ti­on
Prä­im­plan­ta­ti­ons- und Prä­na­ta­l-Dia­gnos­tik (PID, PND)
CRISPR/Cas-Ex­pe­ri­men­te
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 7

Ge­ne­ti­sche In­for­ma­ti­on als Grund­la­ge für bio­tech­no­lo­gi­sche Ver­fah­ren in der Me­di­zin

10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­lern er­hal­ten am Bei­spiel der HIV-In­fek­tio­nen und der re­tro­vi­ra­len Ver­meh­rung ei­nen Ein­blick in die Wir­kung des ad­ap­ti­ven Im­mun­sys­tems. Sie er­ken­nen das Po­tenzial bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren hin­sicht­lich Er­for­schung, Dia­gno­se und The­ra­pie bei sol­chen In­fek­ti­ons­krank­hei­ten und er­wei­tern da­bei ihr Ver­ständ­nis für den Fluss der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on. Am Bei­spiel der The­ra­pie­mög­lich­kei­ten von HIV-In­fek­tio­nen und auf der Ba­sis von Re­cher­chen er­ken­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler den Be­darf an me­di­zi­nisch be­deut­sa­men Pro­te­inen. Dies stellt ei­nen An­wen­dungs­schwer­punkt bio­tech­no­lo­gi­scher Ver­fah­ren im Be­reich der Me­di­zin dar. Sie er­ken­nen, dass für ein Ver­ständ­nis des Kon­zepts der he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on die Aus­ein­an­der­set­zung mit der Ge­n­ex­pres­si­on als Vor­gang der Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on er­for­der­lich ist. Sie ver­ste­hen zu­dem, dass he­te­ro­lo­ge Ex­pres­sio­nen den Ein­satz gen­tech­ni­scher Ver­fah­ren be­din­gen.

BPE 7.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Ent­ste­hung ei­ner Im­mun­de­fi­zi­enz in Fol­ge ei­ner HIV-In­fek­ti­on.

Be­griffs­be­stim­mung: AIDS und HIV

Zer­stö­rung der ko­or­di­nie­ren­den T-Hel­fer­zel­len

Feh­len spe­zi­fi­scher Im­mun­glo­bu­li­ne (Ig) und T-Kil­ler­zel­len

BPE 7.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren die Wei­ter­ga­be ge­ne­ti­scher In­for­ma­tio­nen bei der re­tro­vi­ra­len Ver­meh­rung vor dem Hin­ter­grund des zen­tra­len Dog­mas der Mo­le­ku­lar­bio­lo­gie und in­ter­pre­tie­ren die Be­deu­tung der re­ver­sen Tran­skrip­ti­on.

Auf­bau Re­tro­vi­rus, Ge­nom­struk­tur
vgl. BPE 10
Prin­zip der re­ver­sen Tran­skrip­ti­on: re­ver­se Tran­skrip­ta­se: RNA-ab­hän­gi­ge DNA-Po­ly­me­ra­se, Erst­strang­syn­the­se mit Pri­mer, Ab­bau RNA über RNA­seH, Zwei­strang­syn­the­se über re­ver­se Tran­skrip­ta­se, Pro­dukt: cD­NA

BPE 7.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Me­tho­den der Dia­gnos­tik von HIV-In­fek­tio­nen so­wie mög­li­che The­ra­pie­an­sät­ze.

PCR-ba­sier­ter Nach­weis vi­ra­ler RNA, RT-P­CR
vgl. BPE 5
ELISA-ba­sier­ter Nach­weis von Im­mun­glo­bu­li­nen: pri­mä­rer, se­kun­dä­rer An­ti­kör­per, An­ti­gen, chro­mo­ge­nes Sub­strat
En­zy­me-lin­ked Im­mu­no­sor­b­ent As­say, vgl. BPE 3 – 4
Nu­kleo­si­d-A­na­lo­ga als In­hi­bi­to­ren der cD­NA-Syn­the­se
vgl. BPE 5
Impf­stof­fe ge­gen HIV
Stand der For­schung, vgl. BPE 8

BPE 7.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen Bei­spie­le und Ziel­set­zun­gen me­di­zi­ni­scher An­wen­dungs­fel­der der Bio­tech­no­lo­gie zu­sam­men. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­ten An­wen­dungs­mög­lich­kei­ten hin­sicht­lich der Pro­duk­ti­on von Pro­te­inen für me­di­zi­ni­sche Dia­gnos­tik, Pro­phy­la­xe und The­ra­pie aus und lei­ten dar­aus die Not­wen­dig­keit für gen­tech­ni­sche Ver­fah­ren ab.

Impf­stof­fe zur Pro­phy­la­xe
In­flu­en­za‑, EBV‑, HPV-Impf­stoff
  • pri­mä­re und se­kun­dä­re Im­mun­ant­wort:
  • Ig­G-Kon­zen­tra­ti­on, zeit­li­cher Ver­lauf

The­ra­peu­ti­ka
In­su­lin, EPO, vgl. BPE 8
Dia­gnos­ti­ka
ELISA, Im­mun­glo­bu­li­ne, En­zy­me, vgl. BPE 8
Re­ge­ne­ra­ti­ve Me­di­zin: in­di­vi­dua­li­sier­te Stamm­zel­len und Ge­we­be
Tis­sue En­gi­nee­ring, the­ra­peu­ti­sches Klo­nen, vgl. BPE 9
Ver­fah­ren zur ge­ne­ti­schen Dia­gnos­tik
vgl. BPE 10
Not­wen­dig­keit der he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on
Ad­van­ce Or­ga­ni­zer
Prin­zip ei­ner mo­le­ku­la­ren Klo­nie­rung
men­sch­li­ches In­su­lin­gen als Trans­gen, vgl. BPE 8

BPE 8

Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on: Bio­syn­the­se von Pro­te­inen und he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on

36

Den Schü­le­rin­nen und Schü­lern wird be­wusst, dass ei­ne ge­naue­re Ana­ly­se von pro- und eu­ka­ryo­ti­schen Ge­nen hin­sicht­lich ih­res Auf­baus, ih­rer Ex­pres­si­on so­wie ih­rer Re­gu­la­ti­on not­wen­dig ist, um Stra­te­gi­en für ei­ne he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on als Ba­sis für ei­ne bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­tein­pro­duk­ti­on ver­ste­hen bzw. ent­wi­ckeln zu kön­nen. Da­bei er­ken­nen sie die Not­wen­dig­keit ei­ner Gen­re­gu­la­ti­on bei Pro­ka­ryo­ten. Am Bei­spiel der In­su­lin-Bio­syn­the­se wird den Schü­le­rin­nen und Schü­lern ver­deut­licht, dass sich die Gen­re­gu­la­ti­on bei Eu­ka­ryo­ten kom­ple­xer in den Me­cha­nis­men und un­ter Ein­be­zie­hung meh­re­rer Gen­ex­pres­si­onsebe­nen dar­stellt. Sie be­grün­den zu­dem Pro­bleme der In­su­lin-Syn­the­se mit­tels he­te­ro­lo­ger Ex­pres­si­on als Grund­la­ge ei­ner öko­no­mi­schen, be­darfs­de­cken­den Pro­tein­pro­duk­ti­on: Sie ler­nen, pro­blem­ori­en­tiert nach Lö­sungs­an­sät­zen zu su­chen und be­grei­fen, dass Lö­sungs­mög­lich­kei­ten in Ab­hän­gig­keit von spe­zi­fi­schen An­for­de­run­gen, von Op­ti­mie­rungs­mög­lich­kei­ten oder von öko­no­mi­schen As­pek­ten va­ri­ie­ren kön­nen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­den in die La­ge ver­setzt, die da­bei er­ar­bei­te­ten Prin­zi­pi­en auf ähn­li­che Pro­blem­stel­lun­gen zu über­tra­gen.

BPE 8.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben und ver­glei­chen den Ab­lauf der Ge­n­ex­pres­si­on bei Pro- und Eu­ka­ryo­ten und lei­ten dar­aus not­wen­di­ge Funk­ti­ons­ele­men­te pro- und eu­ka­ryo­ti­scher Ge­ne ab. Sie skiz­zie­ren die Vor­gän­ge der Tran­skrip­ti­on und Trans­la­ti­on. Auf die­ser Ba­sis ge­ben die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ei­nen er­wei­ter­ten Gen­be­griff an.

Ge­n­ex­pres­si­on: Rea­li­sa­ti­on der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on bei Pro- und Eu­ka­ryo­ten im Über­blick
zen­tra­les Dog­ma der Mo­le­ku­lar­bio­lo­gie
vgl. BPE 1
Struk­tur und Funk­ti­ons­ele­men­te ei­nes Gens
pro­te­in­co­die­ren­de Ge­ne
tran­skri­bier­ter, co­die­ren­der Be­reich; UTRs
CDS, vgl. Bio­in­for­ma­tik
  • Exons, In­trons bei Eu­ka­ryo­ten

  • Ri­bo­so­men­bin­dungs­stel­le bei Pro­ka­ryo­ten; Cap­ping‑, Po­lya­de­ny­lie­rungs­stel­le bei Eu­ka­ryo­ten

  • Pro­mo­tor, Ter­mi­na­tor
Con­sen­sus-Se­quen­zen, vgl. Bio­in­for­ma­tik
  • Ope­ra­tor bei Pro­ka­ryo­ten; En­han­cer, Si­len­cer bei Eu­ka­ryo­ten
tran­skrip­ti­ons­re­gu­lie­ren­de Ele­men­te
Tran­skrip­ti­on

  • DNA-ab­hän­gi­ge RNA-Po­ly­me­ra­se, NTPs, Ma­tri­zen- und Nich­t-Ma­tri­zen­strang, mR­NA
Ri­bo­nu­cleo­sid­tri­phos­pha­te ATP, CTP, GTP, UTP, Syn­the­se­rich­tung 5' nach 3'
  • Pha­sen: Initia­ti­on, Elonga­ti­on, Ter­mi­na­ti­on
Be­deu­tung der Initia­ti­on für Gen­re­gu­la­ti­on
  • Post­tran­skrip­tio­na­le Mo­di­fi­ka­ti­on bei Eu­ka­ryo­ten: Spli­cing, Cap­ping,
    Po­lya­de­ny­lie­rung
al­ter­na­ti­ves Spli­cing als Re­gu­la­ti­ons­mög­lich­keit
Trans­la­ti­on

  • Auf­bau Ri­bo­som, A-P-E-Mo­dell

  • Ge­ne­ti­scher Code
Codon­ta­bel­le
  • Ami­noacy­l-tRNA-Syn­the­ta­sen, Ami­noacy­l-tRNA, Codon, An­ti­codon
Syn­the­se­rich­tung N- nach C-ter­mi­nal, vgl. BPE 1 und 3
  • Pha­sen: Initia­ti­on, Elonga­ti­on, Ter­mi­na­ti­on
post­trans­la­tio­na­le Mo­di­fi­ka­ti­on
Gen als Tran­skrip­ti­ons­ein­heit
rR­NA, tRNA und Pro­te­ine als Gen­pro­duk­te

BPE 8.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten aus zwei­pha­si­gen Wachs­tums­kur­ven von E. co­li auf ei­nem glu­co­se- und lac­to­se­hal­ti­gen Me­di­um das Vor­han­den­sein der Gen­re­gu­la­ti­on ab. Sie in­ter­pre­tie­ren die durch Lac­to­se in­du­zier­te Syn­the­se von Lac­to­se ab­bau­en­den En­zy­men bei Pro­ka­ryo­ten als ei­ne Re­gu­la­ti­on zur An­pas­sung an ver­än­der­te Um­welt­be­din­gun­gen. Sie er­klä­ren die zu­grun­de­lie­gen­de Gen­re­gu­la­ti­on mit dem Ope­ron-Mo­dell.

Gen­re­gu­la­ti­on, exo­ge­ne Si­gna­le
Um­welt­ein­flüs­se, Di­au­xie
Ope­ron-Mo­dell, lac-O­pe­ron
re­gu­lier­ba­re Ge­n­ex­pres­si­on auch bei he­te­ro­lo­ger Ex­pres­si­on in E. co­li
  • Re­gu­la­t­or­gen, kon­sti­tu­ti­ver Pro­mo­tor

  • In­du­zier­ba­rer lac-Pro­mo­tor, Ope­ra­tor, Struk­tur­ge­ne
po­ly­cis­tro­ni­sches Tran­skript
  • In­duk­ti­on der Tran­skrip­ti­on durch Lac­to­se
Kon­for­ma­ti­ons­än­de­rung von LacI, vgl. BPE 3
Öko­no­mie-Prin­zip: be­darfs­ge­rech­te En­zym­syn­the­se durch Sub­strat­in­duk­ti­on
„En­er­gie­kos­ten“ der Ge­n­ex­pres­si­on

BPE 8.3

Aus­ge­hend von den Funk­tio­nen des In­su­lins bei der Blut­zu­ckerre­gu­la­ti­on prü­fen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die Not­wen­dig­keit zur Re­gu­la­ti­on der Gen­ak­ti­vi­tät. An­hand die­ses Bei­spiels ent­wi­ckeln sie Hy­po­the­sen zu prin­zi­pi­el­len As­pek­ten der eu­ka­ryo­ti­schen Re­gu­la­ti­on der Ge­n­ex­pres­si­on. Sie fas­sen die Ebe­nen der Ge­n­ex­pres­si­on und -re­gu­la­ti­on zu­sam­men.

In­su­lin als me­ta­bo­li­sches Hor­mon: Wir­kung auf Koh­len­hy­drat‑, Fett- und Ami­no­säu­re­stoff­wech­sel
Glu­ca­gon als In­su­lin-Ant­ago­nist, Dia­be­tes mel­li­tus
Bio­syn­the­se von In­su­lin in pan­krea­ti­schen ß-Zel­len bei ho­her Glu­co­se-Kon­zen­tra­ti­on

Ebe­nen: Tran­skrip­ti­on, Pro­ces­sing, Halb­werts­zeit der mR­NA, mR­NA-Ex­port, post­trans­la­tio­na­le Mo­di­fi­ka­ti­on, Ex­port, De­gra­da­ti­on

BPE 8.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren das Tran­skripto­som und ana­ly­sie­ren die Be­deu­tung spe­zi­fi­scher Tran­skrip­ti­ons­fak­to­ren für die Ge­n­ex­pres­si­on.

All­ge­mei­ne Tran­skrip­ti­ons­fak­to­ren (TF), TA­TA-Bo­x-bin­den­des Pro­te­in; RNA-Po­ly­me­ra­se
TA­TA-Box in „-25“-Re­gi­on
Ak­ti­vie­ren­de und in­hi­bie­ren­de spe­zi­fi­sche TF

Mo­du­lar auf­ge­bau­te re­gu­la­to­ri­sche DNA, En­han­cer, Si­len­cer, Schlei­fen­bil­dung der DNA
Tran­skripto­som
Tran­skrip­ti­ons­ra­te: An­zahl, Art, Af­fi­ni­tä­ten der TF zu den Bin­dungs­stel­len; TF-Kom­bi­na­ti­on ei­ner Zel­le
prä­zi­se re­gu­lier­ba­re, dif­fe­ren­zi­el­le Ge­n­ex­pres­si­on

BPE 8.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die post­trans­la­tio­na­len Schrit­te der In­su­lin-Bio­syn­the­se un­ter Be­trach­tung der Funk­ti­on und des Zu­sam­men­spiels ver­schie­de­ner Zell­or­ga­nel­len zu­sam­men. Sie be­schrei­ben Mög­lich­kei­ten post­trans­la­tio­na­ler Mo­di­fi­ka­tio­nen von Pro­te­inen und nen­nen de­ren Be­deu­tung un­ter Ein­be­zie­hung des Struk­tur-Funk­ti­ons­prin­zips an­hand je ei­nes Bei­spiels.

Prä-Pro­in­su­lin, Trans­lo­ka­ti­on in das Lu­men des ER
pro­te­o­ly­ti­sche Spal­tung, Si­gnal­pep­tid
Pro­in­su­lin, Fal­tung
Di­sul­fid­brü­cken, vgl. BPE 3
Trans­port in Gol­gi-Ap­pa­rat, In­su­lin
pro­te­o­ly­ti­sche Spal­tung in A- und B-Ket­te
Glu­co­se-ab­hän­gi­ge Frei­set­zung des rei­fen In­su­lins
Exo­cy­to­se, vgl. BPE 2
Mo­di­fi­ka­tio­nen

  • Pro­te­in­fal­tung
Cha­pe­ro­ne, Hit­ze­schock­ro­te­ine in E. co­li, Ter­ti­är­struk­tur
  • Aus­bil­dung von Di­sul­fid­brü­cken
Re­ak­ti­ons­glei­chung, Im­mun­glo­bu­li­ne
  • Pro­te­o­ly­ti­sche Spal­tung
In­su­lin
  • Gly­ko­sy­lie­rung
Im­mun­glo­bu­li­ne, Mem­bran­pro­te­ine
  • Phos­pho­ry­lie­rung
Struk­tur­for­meln, Ak­ti­vie­rung der RNA-Po­ly­me­ra­se und von Mem­bran­pum­pen
  • Ace­ty­lie­rung
His­ton-Mo­di­fi­ka­ti­on, vgl. BPE 9
Funk­tio­na­le Pro­te­in­struk­tur, Ak­ti­vi­täts­zu­stand

BPE 8.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler prü­fen auf­grund der Un­ter­schie­de zwi­schen pro- und eu­ka­ryo­ti­scher Ge­n­ex­pres­si­on mög­li­che Schwie­rig­kei­ten bei ei­ner he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on.

Be­deu­tung der he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on
vgl. BPE 7
Iso­la­ti­on des Ziel­gens
Ge­ne of in­te­rest, Grö­ße des men­sch­li­chen Ge­noms
DNA-Trans­fer in E. co­li
Trans­for­ma­ti­on, vgl. BPE 5
Funk­tio­na­li­tät co­die­ren­der Be­rei­che bzw. re­gu­la­to­ri­scher Ele­men­te
Uni­ver­sa­li­tät des ge­ne­ti­schen Codes, Prib­now- und TA­TA-Box
In­tron-Exon-Struk­tur
cD­NA, vgl. BPE 7
Post­trans­la­tio­na­le Mo­di­fi­ka­tio­nen

BPE 8.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren die prin­zi­pi­el­len Ver­fah­rens­schrit­te zur Her­stel­lung ei­nes bak­te­ri­el­len Klons für die he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on ei­nes Ziel­gens.

Gen­su­che, ‑ana­ly­se
vgl. Bio­in­for­ma­tik
Aus­wahl von Vek­tor- und In­ser­t-D­NA
vgl. BPE 5 – 7, BPE 12
Re­strik­ti­on von Vek­tor- und In­ser­t-D­NA

Li­ga­ti­on von Vek­tor und In­sert
vgl. BPE 5
Trans­for­ma­ti­on
vgl. BPE 5
Se­lek­ti­on der Trans­for­man­ten, klo­na­le Ver­meh­rung

BPE 8.8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Bei­trag von Da­ten­ban­ken zur Su­che und Ana­ly­se von Ge­nen.

Se­quenz­da­ten­bank: NCBI
Durch­füh­rung ei­ner Da­ten­bank­ab­fra­ge in „Nu­cleo­ti­de, Pro­te­in Da­ta­ba­ses“ von NCBI
Se­quen­zen im Gen­Ban­k-For­mat
Kon­ven­tio­nen zur Se­quenz­dar­stel­lung
Struk­tur des NCBI-Da­ten­sat­zes: ty­pi­sches pro­te­in­co­die­ren­des Gen
In­su­lin­gen
An­no­ta­ti­on und Se­quenz­teil
Se­quen­zie­rungs­pro­jek­te
Hu­man Ge­no­me Or­ga­ni­sa­ti­on (HU­GO), vgl. BPE 10
Nut­zung der Da­ten­sät­ze

  • Da­ten­bank­ab­fra­ge zum Auf­fin­den der cD­NA
Syn­the­se der ent­spre­chen­den cD­NA
  • Pri­mer­de­sign zur Am­pli­fi­ka­ti­on

  • Re­strik­ti­ons­kar­tie­rung zur Klo­nie­rung

BPE 8.9

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Funk­ti­ons­ele­men­te ei­nes bak­te­ri­el­len Ex­pres­si­ons­vek­tors und er­läu­tern de­ren Be­deu­tung für ei­ne he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on.

ORI: Initia­ti­on der Re­pli­ka­ti­on

Mul­ti­ple Clo­n­ing Si­te (MCS) mit Re­por­ter­gen: Ein­bau der In­ser­t-D­NA
In­ser­t-D­NA: Trans­gen; Blau-Wei­ß-S­e­lek­ti­on
Ex­pres­si­ons­kas­set­te: Pro­mo­tor, RBS, Ter­mi­na­tor
i.d.R. re­gu­lier­bar über Ope­ra­tor
Se­lek­ti­ons­mar­ker: Se­lek­ti­on trans­for­mier­ter Zel­len
An­ti­bio­ti­ka-Re­sis­tenz­gen, kon­sti­tu­tiv ex­pri­miert

BPE 8.10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len die spe­zi­fi­sche En­do­nu­clea­se-Ak­ti­vi­tät von Re­strik­ti­ons­en­zy­men dar und er­klä­ren de­ren na­tür­li­che Be­deu­tung und die Be­deu­tung für Klo­nie­run­gen. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Vor­gang der Li­ga­ti­on als Um­keh­rung der Hy­dro­ly­se­re­ak­ti­on. Sie ver­glei­chen Me­tho­den der Trans­for­ma­ti­on und deu­ten Se­lek­ti­ons­mar­ker als Mög­lich­keit zur Trans­for­ma­ti­ons­kon­trol­le.

Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung, No­men­kla­tur

Re­strik­ti­ons­en­zy­me
Ty­pII-Re­strik­ti­ons­en­do­nu­clea­sen, vgl. BPE 12
  • spe­zi­fi­sche Re­strik­ti­ons­stel­le
pa­lin­dro­mi­sche Er­ken­nungs­se­quenz
  • Hy­dro­ly­se von Phos­phor­säu­ree­ster­bin­dun­gen

  • Frag­men­t-En­den: glatt bzw. 5'- oder 3'-über­hän­gend, li­ga­ti­ons­kom­pa­ti­ble En­den
sche­ma­ti­sche Mo­dell­dar­stel­lung
  • Li­ga­ti­on, Li­ga­se

  • Trans­for­ma­ti­on: Cal­ci­um­chlo­ri­d-Me­tho­de, Elek­tro­po­ra­ti­on

  • Trans­for­ma­ti­ons­kon­trol­le
Se­lek­ti­ons­mar­ker

BPE 8.11

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Nut­zen des lac-O­pe­rons bei ei­ner he­te­ro­lo­gen Ex­pres­si­on und er­klä­ren des­sen Vor­tei­le.

Plas­mid­vek­tor mit Ele­men­ten des lac-O­pe­rons
he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on in E. co­li
  • LacI-Re­gu­la­t­or­gen: lacI-Syn­the­se
kon­sti­tu­tiv ex­pri­miert
  • Lac-Pro­mo­tor und ‑Ope­ra­tor: In­duk­ti­on
Lac­to­se-Struk­tur­a­na­lo­gon IPTG
  • Lac­Z-Gen­se­quenz mit in­te­grier­ter MCS: Re­por­ter­gen zur In­ser­ti­ons­kon­trol­le
X-Gal als chro­mo­ge­nes Sub­strat, Blau-Wei­ß-S­e­lek­ti­on
Kon­trol­lier­te Ex­pres­si­on des Trans­gens
Va­ria­ti­on von Ex­pres­si­ons­stär­ke und ‑zeit­punkt

BPE 8.12

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben Op­ti­mie­rungs­mög­lich­kei­ten für die he­te­ro­lo­ge Ex­pres­si­on zur Pro­duk­ti­on trans­ge­ner Pro­te­ine und nen­nen Vor­tei­le ex­em­pla­ri­scher Ex­pres­si­ons­sys­te­me.

Fu­si­ons­gen mit bak­te­ri­el­lem Fu­si­ons­an­teil

  • Pro­te­in­ex­port
Si­gnal­pep­ti­de der Ge­ne om­pA, ma­lE
  • Rei­ni­gung des Pro­te­ins
Po­ly­his­ti­din-Tag, vgl. BPE 15
Pro­ka­ryo­ti­sches Ex­pres­si­ons­sys­tem: E. co­li
re­gu­la­to­ri­sche Ele­men­te
  • Vor­tei­le: kur­ze Ge­ne­ra­ti­ons­zeit, bil­li­ge Mas­sen­kul­ti­vie­rung, ho­he Aus­beu­te

Eu­ka­ryo­ti­sches Ex­pres­si­ons­sys­tem: CHO-Zel­len
Her­stel­lung von EPO, tPA, Fak­tor VIII
  • Vor­tei­le: lös­li­ches Pro­te­in, kor­rek­te Fal­tung, kor­rek­tes Gly­ko­sy­lie­rungs­mus­ter
Ver­mei­dung von in­clu­si­on bo­dies

BPE 9

Re­pro­duk­ti­ons­bio­lo­gie des Men­schen und Re­ge­ne­ra­ti­ons­me­di­zin

14

Aus der Kennt­nis der Vor­gän­ge bei der Keim­zell­bil­dung ent­wi­ckeln die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ein Ver­ständ­nis für die Be­deu­tung der se­xu­el­len Fort­pflan­zung für ge­ne­ti­sche Va­ria­bi­li­tät, An­pas­sung und Evo­lu­ti­on. In­hal­te aus dem The­men­feld der Stamm­zell­for­schung und ‑the­ra­pie er­lau­ben ih­nen Ein­bli­cke in ak­tu­el­le bio­tech­no­lo­gi­sche For­schungs­be­rei­che. Ei­ne ethi­sche Be­wer­tung der Ver­fah­ren er­mög­licht es ih­nen auf der Ba­sis fach­li­cher Ar­gu­men­te ei­nen ei­ge­nen Stand­punkt in der ge­sell­schaft­li­chen De­bat­te aus­zu­bil­den und ein­zu­neh­men.

BPE 9.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Be­deu­tung so­wie die prin­zi­pi­el­len Vor­gän­ge der Mei­o­se, ver­glei­chen sie mit den Vor­gän­gen bei der Mito­se und lei­ten dar­aus Prin­zi­pi­en der Ver­er­bung bei ge­schlecht­li­cher Fort­pflan­zung ab. Sie be­schrei­ben grund­le­gen­de Vor­tei­le der se­xu­el­len Fort­pflan­zung.

Mei­o­se
Mito­se, vgl. BPE 5
  • Keim­bahn, Ga­me­ten
Oo­ge­ne­se, Sper­ma­to­ge­ne­se
  • Kern­pha­sen­wech­sel: Di­plo­idie, Haplo­idie

  • Haupt­pha­sen der Mei­o­se I, Mei­o­se II

  • in­ter‑, in­trach­ro­mo­so­ma­le Re­kom­bi­na­ti­on
ge­ne­ti­sche Va­ria­bi­li­tät
Chro­mo­so­men­theo­rie der Ver­er­bung
Sut­ton und Bo­ve­ri
Ka­ryo­gram­me: Me­ta­pha­se-Chro­mo­so­men

  • p‑, q-Ar­me, La­ge des Cen­tromers

  • ho­mo­lo­ge Chro­mo­so­men­paa­re, Au­to­so­men, Go­no­so­men
vgl. BPE 10
  • Ge­schlechts­be­stim­mung beim Men­schen
XX, XY
  • Va­ria­bi­li­tät der ge­ne­ti­schen In­for­ma­ti­on der bei­den Zell­tei­lungs­for­men
se­xu­el­le Fort­pflan­zung als evo­lu­tio­nä­re Stra­te­gie

BPE 9.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die für das Ver­ständ­nis der Stamm­zell­bio­lo­gie wich­ti­gen Sta­di­en und Vor­gän­ge der Em­bryo­nal­ent­wick­lung zu­sam­men. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ge­ben die De­fi­ni­ti­on des Be­griffs Epi­ge­ne­tik an und be­schrei­ben ex­em­pla­risch Grund­prin­zi­pi­en der epi­ge­ne­ti­schen Ge­n­ex­pres­si­ons­re­gu­la­ti­on und de­ren Be­deu­tung.

Blas­to­ge­ne­se: Zy­go­te, 8-Zel­l-S­ta­di­um, Mo­ru­la, Blas­to­cys­te
Dif­fe­ren­zie­rungs­po­ten­zi­al von plu­ri- bzw. mul­ti­po­ten­ten Stamm­zel­len
Em­bryo, Ab­gren­zung zu Fe­tus

Ent­wick­lungs­po­ten­zi­al und Zell­dif­fe­ren­zie­rung
Stamm­zel­le vs. dif­fe­ren­zier­te Zel­le
  • dif­fe­ren­ti­el­le Ge­n­ex­pres­si­on
spe­zi­fi­sche TF, vgl. BPE 8
  • Epi­ge­ne­tik: DNA-Me­thy­lie­rung, His­ton-A­ce­ty­lie­rung und Chro­ma­tin­struk­tur
Dif­fe­ren­ti­el­le Ba­sen- und His­ton-Mo­di­fi­ka­tio­nen in Kör­per‑, Keim- und Stamm­zel­len

BPE 9.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler skiz­zie­ren die Ge­win­nung von Stamm­zel­len. Sie ver­glei­chen Ar­ten, Ei­gen­schaf­ten und me­di­zi­ni­sche Ver­wen­dung ver­schie­de­ner Stamm­zell­ty­pen.

Em­bryo­na­le Stamm­zel­len (ES), adul­te Stamm­zel­len (AS)
na­tür­lich vor­kom­men­de Stamm­zel­len, neo­na­ta­le Stamm­zel­len aus Na­bel­schnur­blut
Dif­fe­ren­zie­rungs­po­ten­zi­al: to­ti‑, plu­ri‑, mul­ti­po­tent

Tei­lungs­fä­hig­keit, Selbst­er­neue­rung

Stamm­zell­ge­win­nung

  • AS: hä­ma­to­poe­ti­sche Stamm­zel­len
Kno­chen­mark, Leuk­ämie
  • ES: IV­F-ge­ne­rier­te Blas­to­cys­ten, the­ra­peu­ti­sches Klo­nen mit Kern­trans­fer
In-vi­tro-Fer­ti­li­sa­ti­on (IVF)
Im­mun­re­ak­ti­on bei al­lo­ge­ner Trans­plan­ta­ti­on
  • in­du­zier­te plu­ri­po­ten­te Stamm­zel­len (iPS)

Me­di­zi­ni­sche Nut­zung von Stamm­zel­len

  • stamm­zell­ba­sier­te Ge­we­be­re­ge­ne­ra­ti­on, Tis­sue En­gi­nee­ring
Haut­ersatz

BPE 9.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler dis­ku­tie­ren und be­ur­tei­len die ethi­schen As­pek­te der Ge­win­nung und Ver­wen­dung em­bryo­na­ler Stamm­zel­len in For­schung und The­ra­pie vor dem Hin­ter­grund ge­setz­li­cher Re­ge­lun­gen und me­di­zi­nethi­scher Prin­zi­pi­en.

Ethi­sche Be­trach­tung
Em­bryo­nen­schutz­ge­setz, Stamm­zell­ge­setz, Zeit­punkt des Le­bens­be­ginns
Vier-Prin­zi­pi­en-Mo­dell von Beauch­amp und Child­ress
Di­lem­ma-Dis­kus­si­on
Ethi­sche As­pek­te PID, PND
Fall­stu­die, Fol­gen­ab­schät­zung für In­di­vi­du­um bzw. Ge­sell­schaft

BPE 10

Ent­ste­hung, Ver­er­bung, Nach­weis und The­ra­pie von Mu­ta­tio­nen im men­sch­li­chen Ge­nom

34

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen Mu­ta­tio­nen als Ver­än­de­run­gen der Erb­in­for­ma­ti­on und er­ken­nen die­se so­wohl als Grund­la­ge der Ent­ste­hung neu­er Merk­ma­le und da­mit der Evo­lu­ti­on, als auch als Ur­sa­che von Krank­hei­ten und Krank­heits­dis­po­si­tio­nen. Stamm­baum­ana­ly­sen er­mög­li­chen es den Schü­le­rin­nen und Schü­lern die Wei­ter­ga­be von Merk­ma­len an die nächs­te Ge­ne­ra­ti­on als re­gel­ge­lei­te­ten Pro­zess zu be­grei­fen. An­hand von Bei­spie­len aus All­tag und La­bor ver­ste­hen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler die Wir­kung von Mu­ta­ge­nen. Sie ler­nen ver­schie­de­ne Mu­ta­ti­ons­ar­ten zu er­ken­nen, so­wie die Kon­se­quen­zen der Ver­än­de­rung ge­ne­ti­scher In­for­ma­ti­on ab­zu­schät­zen. Sie wen­den ih­re Vor­kennt­nis­se auf den Zusam­men­hang zwi­schen DNA, Pro­te­in­men­ge und ‑struk­tur so­wie Pro­te­in­funk­ti­on zur Ab­lei­tung kon­kre­ter Mu­ta­ti­ons­fol­gen an. Am Bei­spiel mo­der­ner Dia­gno­se­ver­fah­ren ler­nen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­schie­de­ne Werk­zeu­ge und Me­tho­den der Mo­le­ku­lar­ge­ne­tik ken­nen. Sie sind in der La­ge, die ex­em­pla­risch ge­won­ne­nen Er­kennt­nis­se auf un­be­kann­te Krank­heits­bei­spie­le zu über­tra­gen und dar­ge­stell­te Ana­ly­se- bzw. Dia­gno­se­er­geb­nis­se aus­zu­wer­ten. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler re­cher­chie­ren und for­mu­lie­ren Ar­gu­men­te zur Dis­kus­si­on der Kon­se­quen­zen ge­ne­ti­scher Dia­gnos­tik für das In­di­vi­du­um und die Ge­sell­schaft. Sie er­wei­tern da­mit ih­re fach­be­zo­ge­ne Re­fle­xi­ons­fä­hig­keit.

BPE 10.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len prin­zi­pi­el­le Fol­gen von Mu­ta­tio­nen dar und er­läu­tern de­ren bio­lo­gi­sche Be­deu­tung. Sie ge­ben Ur­sa­chen für die Ent­ste­hung von Mu­ta­tio­nen an.

Funk­ti­ons­ver­lust, po­si­ti­ver oder ne­ga­ti­ver Funk­ti­ons­ge­winn
Loss of func­tion (LOF), Gain of func­tion (GOF)
  • Krank­heit, Krank­heits­dis­po­si­ti­on

  • ge­ne­ti­sche Va­ria­bi­li­tät, Se­lek­ti­on, Evo­lu­ti­on

Spon­tan­mu­ta­tio­nen
spon­ta­ne Des­a­mi­nie­rung von Cy­to­sin
  • Non-Dis­junc­tion, il­le­gi­ti­mes Cros­sin­g-o­ver
Al­ter von Mut­ter und Va­ter, vgl. BPE 9
  • feh­ler­haf­te DNA-Re­pli­ka­ti­on bzw. DNA-Re­pa­ra­tur
vgl. BPE 5
In­te­gra­ti­ve Vi­ren
mo­bi­le ge­ne­ti­sche Ele­men­te, vgl. BPE 7
Che­mi­sche Mu­ta­ge­ne
in­ter­ka­lie­ren­de Sub­stan­zen, Ba­sen­ana­lo­ga
Phy­si­ka­li­sche Mu­ta­ge­ne
UV-Strah­lung

BPE 10.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Mu­ta­ti­ons­ar­ten, er­läu­tern Aus­wir­kun­gen von Mu­ta­tio­nen in co­die­ren­den und re­gu­la­to­ri­schen Be­rei­chen von Ge­nen und be­schrei­ben ver­schie­de­ne For­men von Chro­mo­so­men­a­b­erra­tio­nen, so­wie de­ren mög­li­che Aus­wir­kun­gen auf die Gen­do­sis. Dar­über hin­aus ver­glei­chen sie Mu­ta­tio­nen hin­sicht­lich ih­rer Ver­erb­bar­keit.

Gen­mu­ta­ti­on
Si­chel­zel­lan­ämie, Cho­rea Hun­ting­ton, Mu­ko­vis­zi­do­se
  • Punkt­mu­ta­tio­nen: Mis­sen­se‑, Non­sen­se-Mu­ta­ti­on, stil­le Mu­ta­ti­on

  • De­le­ti­on und In­ser­ti­on, Ras­ter­mu­ta­ti­on

  • Ver­än­de­rung der Ge­n­ex­pres­si­on
Mu­ta­ti­on in Pro­mo­tor, Ope­ra­tor, En­han­cer
Chro­mo­so­men­mu­ta­ti­on
struk­tu­rel­le Chro­mo­so­men­a­b­erra­ti­on; Kat­zen­schrei­syn­drom, Chro­ni­sche Mye­loi­sche Leuk­ämie (CML)
  • Trans­lo­ka­ti­on
ba­lan­cier­te Trans­lo­ka­ti­on
  • De­le­ti­on und In­ser­ti­on

  • Du­pli­ka­ti­on

  • In­ver­si­on

Ge­nom­mu­ta­ti­on
nu­me­ri­sche Chro­mo­so­men­a­b­erra­ti­on: Down-Syn­drom, Tur­ner-Syn­drom
  • Eu­plo­idie: Haplo­idie, Po­ly­plo­idie
Bär­tier­chen, Saat­wei­zen, Erd­bee­re
  • An­eu­plo­idie: Mo­no­so­mie, Tri­so­mie
Trans­lo­ka­ti­ons­tri­so­mie
Keim­bahn­mu­ta­ti­on

So­ma­ti­sche Mu­ta­ti­on
vgl. BPE 11

BPE 10.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben Grund­la­gen der Ver­er­bung und ana­ly­sie­ren die Ver­er­bung mo­no­ge­ne­tisch be­ding­ter Erb­krank­hei­ten des Men­schen an­hand ent­spre­chen­der Stamm­bäu­me. Sie ge­ben mög­li­che Ge­no­ty­pen der In­di­vi­du­en an und er­mit­teln Wahr­schein­lich­kei­ten für Ge­no- und Phä­no­ty­pen hy­po­the­ti­scher Nach­kom­men.

Phä­no­typ, Ge­no­typ, Al­lel; He­te­ro‑, Ho­mo­zy­go­tie

Do­mi­nan­t-re­zes­si­ver Erb­gang

Kreu­zungs­sche­ma: Par­en­tal (P)‑, Fi­li­al­ge­ne­ra­ti­on (F1, F2)
mög­li­che Kom­bi­na­tio­nen von Ga­me­ten, Wahr­schein­lich­kei­ten; Men­del­sche Re­geln
Hu­man­ge­ne­tik: Stamm­baum­ana­ly­se

  • Stamm­baum­sym­bo­lik

  • Erb­gän­ge: au­to­so­mal bzw. X-chro­mo­so­mal, do­mi­nant bzw. re­zes­siv

  • Al­lel-Schreib­wei­se

  • Aus­schluss­prin­zip

  • er­gän­zen­de mo­le­ku­lar­ge­ne­ti­sche Da­ten
PCR-Ana­ly­se z. B. bei Cho­rea Hun­ting­ton
  • Wahr­schein­lich­keits­be­rech­nun­gen: Kreu­zungs­sche­ma­ta

BPE 10.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen ver­schie­de­ne mo­le­ku­lar­ge­ne­ti­sche Ver­fah­ren für die Dia­gno­se von Mu­ta­tio­nen und prü­fen de­ren An­wend­bar­keit auf den Nach­weis un­ter­schied­li­cher Mu­ta­ti­ons­ar­ten.

Dia­gno­se-Ver­fah­ren
Ad­van­ce Or­ga­ni­zer
  • Ka­ryo­gramm: Ge­nom‑, Chro­mo­so­men­mu­ta­tio­nen

  • Fluo­res­zen­z-in-si­tu-Hy­bri­di­sie­rung (FISH): Ge­nom‑, Chro­mo­so­men­mu­ta­tio­nen
vgl. BPE 1
  • PCR mit Ge­l­elek­tro­pho­re­se, STR-Ana­ly­se: Gen­mu­ta­tio­nen, In­ser­tio­nen, De­le­tio­nen
vgl. BPE 5, BPE 12
  • RFLP-Ana­ly­se mit PCR, Re­strik­ti­on und Ge­l­elek­tro­pho­re­se: Gen­mu­ta­tio­nen, Punkt­mu­ta­tio­nen an Re­strik­ti­ons­stel­le
Re­strik­ti­ons­frag­ment­län­gen­po­ly­mor­phis­mus, vgl. BPE 5, BPE 12
  • DNA-Se­quen­zie­rung mit Ge­l­elek­tro­pho­re­se: Gen­mu­ta­tio­nen, Punkt­mu­ta­tio­nen
vgl. BPE 12

BPE 10.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren ex­em­pla­risch Ge­nom- und Chro­mo­so­men­mu­ta­tio­nen und er­läu­tern Fol­gen der Mu­ta­tio­nen. Sie be­schrei­ben die Ka­ryo­gramm- bzw. FISH-ba­sier­ten Nach­wei­se von Chro­mo­so­men­a­b­erra­tio­nen und skiz­zie­ren po­si­ti­ve und ne­ga­ti­ve Dia­gno­se­er­geb­nis­se. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­ten Ka­ryo­gram­me und Ab­bil­dun­gen von FISH-Ana­ly­sen aus.

Ge­nom­mu­ta­ti­on: Tri­so­mie 21, Down-Syn­drom

  • Fol­ge: Gen­do­sis­ef­fek­te
Sympto­ma­tik
  • Ka­ryo­gram­m-Ana­ly­se: Ka­ryo­typ
Kline­fel­ter‑, Tur­ner-Syn­drom
Chro­mo­so­men­mu­ta­ti­on: Chro­ni­sche Mye­loi­sche Leuk­ämie (CML)

  • re­zi­pro­ke Trans­lo­ka­ti­on: Chro­mo­so­men 9 und 22
Phil­adel­phi­a-Chro­mo­som
  • bcr-ab­l-Fu­si­ons­gen, BCR-AB­L-Fu­si­ons­pro­te­in

  • Fol­ge: ge­stei­ger­te Zell­pro­li­fe­ra­ti­on
Sympto­ma­tik, vgl. BPE 11
FISH-Ana­ly­se, prin­zi­pi­el­ler Ab­lauf

  • Prä­pa­ra­ti­on: Fi­xie­rung, DNA-De­na­tu­rie­rung

  • Hy­bri­di­sie­rung der Son­den, Wa­schen

  • Aus­wer­tung, Fluo­res­zenz­mi­kro­sko­pie: An­zahl der Fluo­res­zenz­si­gna­le pro Zel­le, Co-Lo­ka­li­sa­ti­on bzw. di­sper­se Lo­ka­li­sa­ti­on

BPE 10.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren ex­em­pla­risch ei­ne Gen­mu­ta­ti­on mit Tri­plet­t-Ex­pan­si­on und be­schrei­ben Fol­gen der Mu­ta­ti­on. Sie deu­ten das gen­dia­gnos­ti­sche Po­ten­zi­al po­ly­mor­pher re­pe­ti­ti­ver Se­quen­zen und be­ur­tei­len PCR-Er­geb­nis­se hin­sicht­lich des vor­lie­gen­den Ge­no­typs. Dar­über hin­aus lei­ten sie das zu er­war­ten­de Elek­tro­phe­ro­gramm an­hand des vor­lie­gen­den Ge­no­typs ab.

Gen­mu­ta­ti­on: Hun­ting­tin-Gen, Cho­rea Hun­ting­ton

  • Ex­pan­si­on von CA­G-Tri­pletts, Ver­län­ge­rung des Glut­amin-Ab­schnitts von Hun­ting­tin

  • Fol­ge: De­ge­ne­ra­ti­on be­stimm­ter Neu­ro­nen
amy­lo­id­ar­ti­ge Ab­la­ge­run­gen, Sympto­ma­tik
PCR-Ana­ly­se, prin­zi­pi­el­ler Ab­lauf

  • spe­zi­fi­sches, flan­kie­ren­des Pri­mer-Paar
vgl. BPE 5, BPE 12
  • Ge­l­elek­tro­pho­re­se: Ban­den­an­zahl, Frag­men­t-Län­gen
vgl. BPE 12
  • Aus­wer­tung: Al­le­le, Ge­no­ty­pen
An­zahl der CA­G-Re­peats und Krank­heits­bild

BPE 10.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in­ter­pre­tie­ren po­ly­mor­phe re­pe­ti­ti­ve Se­quen­zen als Mit­tel zur DNA-Ty­pi­sie­rung und nen­nen de­ren An­wen­dungs­ge­bie­te. Sie er­läu­tern die Me­tho­dik zur Er­stel­lung in­di­vi­du­el­ler DNA-Pro­fi­le und die Aus­wer­tung der zu­grun­de­lie­gen­den Elek­tro­phe­ro­gram­me.

STR (Short Tan­dem Re­peat), STR-Ana­ly­se zur DNA-Ty­pi­sie­rung

An­wen­dungs­ge­bie­te

  • Fo­ren­sik

  • Ver­wandt­schaft von In­di­vi­du­en
Va­ter­schafts­test
DNA-Ty­pi­sie­rung, prin­zi­pi­el­ler Ab­lauf
vgl. BPE 12
  • Am­pli­fi­ka­ti­on: meh­re­re, po­ly­mor­phe STRs
Po­ly­mor­phis­men in nich­t-co­die­ren­den Be­rei­chen
  • Mul­ti­plex-P­CR
Am­pli­fi­ka­ti­on aus­ge­wähl­ter po­ly­mor­pher DNA-Ab­schnit­te, Wahr­schein­lich­keits­be­trach­tung
  • Ge­l­elek­tro­pho­re­se, Tren­nung der Am­pli­fi­ka­te
mo­dell­haf­te Dar­stel­lung, vgl. BPE 12
  • Aus­wer­tung: Grad der Über­ein­stim­mung, Her­kunft von Al­le­len, Ban­den­mus­ter
Al­lel­fre­quen­zen

BPE 10.8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren ex­em­pla­risch ei­ne Gen­mu­ta­ti­on an ei­ner Re­strik­ti­ons­stel­le und be­schrei­ben Fol­gen der Mu­ta­ti­on. Sie deu­ten das gen­dia­gnos­ti­sche Po­ten­zi­al von Re­strik­ti­ons­en­zy­men. Sie skiz­zie­ren und er­läu­tern den Ab­lauf ei­ner RFLP-Ana­ly­se. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­ten Elek­tro­phe­ro­gram­me ei­ner RFLP-Ana­ly­se aus und lei­ten aus­ge­hend von ei­nem RFLP zu er­war­ten­de Elek­tro­phe­ro­gram­me ab.

Gen­mu­ta­ti­on: ß-Glo­bin-Gen, Si­chel­zel­len­an­ämie

  • Nu­kleo­ti­d-Sub­sti­tu­ti­on: Ver­lust ei­ner Re­strik­ti­ons­stel­le

  • Fol­ge: si­chel­för­mi­ge Ery­thro­zy­ten, Hä­m­o­ly­se
Sympto­ma­tik: An­ämie, Se­lek­ti­ons­vor­teil in Ma­la­ria­ge­bie­ten
RFLP-Ana­ly­se, prin­zi­pi­el­ler Ab­lauf

  • PCR-Am­pli­fi­ka­ti­on

  • Re­strik­ti­on der PCR-Pro­duk­te
vgl. BPE 8, BPE 12
  • Ge­l­elek­tro­pho­re­se: Ban­den­an­zahl, Frag­men­t-Län­gen
vgl. BPE 12
  • Aus­wer­tung: Al­le­le, Ge­no­typ, Kor­re­la­ti­on mit Phä­no­typ

BPE 10.9

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ana­ly­sie­ren ex­em­pla­risch ei­ne Punkt­mu­ta­ti­on und be­schrei­ben de­ren Fol­gen auf das co­dier­te Pro­te­in. Sie deu­ten die DNA-Se­quen­zie­rung als gen­dia­gnos­ti­sche Me­tho­de, er­klä­ren das zu­grun­de­lie­gen­de Ket­ten­ab­bruch-Prin­zip und wer­ten Er­geb­nis­se von Se­quenz­ana­ly­sen aus.

Gen­mu­ta­ti­on: cftr-Gen, Cys­ti­sche Fi­bro­se (CF)

  • Punkt­mu­ta­ti­on

  • Fol­ge: Fehl­funk­ti­on von Chlo­rid­ka­nä­len, ge­stör­ter Was­ser­haus­halt
Sympto­ma­tik des Atem­trakts: zäh­flüs­si­ges Se­kret durch ver­rin­ger­ten Was­ser­ge­halt
DNA-Se­quen­zie­rung, Ket­ten­ab­bruch-Me­tho­de
vgl. BPE 8
  • Re­ak­ti­ons­an­satz: Tem­pla­te-D­NA, Pri­mer, DNA-Po­ly­me­ra­se, dNTPs, fluo­res­zenz­mar­kier­te dd­NTPs, Puf­fer
Ver­hält­nis Des­o­xy- zu Di­de­s­oxy­ri­bo­nu­kleo­ti­den, Ver­an­schau­li­chung mit Mo­del­len
  • de­na­tu­rie­ren­de Ge­l­elek­tro­pho­re­se, fluo­res­zenz­ba­sier­te De­tek­ti­on

Aus­wer­tung von Elek­tro­phe­ro­gram­men

  • DNA-Se­quenz­un­ter­schie­de: Al­le­le, Ge­no­ty­pen

  • Ab­schät­zung der ver­än­der­ten Pro­te­in­struk­tur, Grad der Funk­ti­ons­ver­än­de­rung
Pri­mär­struk­tur; Ter­ti­är­struk­tur hy­po­the­tisch

BPE 10.10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben das Prin­zip ei­ner Gen­the­ra­pie. Sie stel­len das CRISPR/Cas-Sys­tem als mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Me­tho­de zum ge­ziel­ten Schnei­den und Ver­än­dern von DNA dar.

Gen­the­ra­pie, prin­zi­pi­el­le Schrit­te
CF: An­satz mit­tels RNA-In­ter­fe­renz
  • DNA-Trans­fer: so­ma­ti­sche Zel­len
Mo­ra­to­ri­um ge­gen Keim­bahn­the­ra­pie
  • Trans­fek­ti­on, ex vi­vo oder in vi­vo

  • Trans­gen-Ex­pres­si­on

DNA-Trans­fer, re­tro­vi­ra­ler Vek­tor: Gen-Ad­di­ti­on
Ade­no­vi­ren, Ade­no-as­so­zi­ier­te Vi­ren
CRISPR/Cas-Sys­tem: Gen-Knock­out, ‑Sub­sti­tu­ti­on
Clus­te­red Re­gu­lar­ly In­ter­spa­ced Short Pa­lin­dro­mic Re­peats
  • CRISPR/Cas9-Vek­tor: gRNA, Cas9-Nu­klea­se
gui­de RNA
  • ho­mo­lo­ge Re­kom­bi­na­ti­on

BPE 11

Krebs und Si­gnal­trans­duk­ti­on

16

Das The­ma Krebs und Krebs­ent­ste­hung bie­tet den Schü­le­rin­nen und Schü­lern die Mög­lich­keit, sich mit der zen­tra­len Fra­ge der Ko­or­di­na­ti­on bio­lo­gi­scher Pro­zes­se aus­ein­an­der zu set­zen. Sie er­ken­nen, dass Zel­len über mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­sche Pro­gram­me ver­fü­gen, die ei­ne sol­che Ko­or­di­na­ti­on be­werk­stel­li­gen, wie et­wa die Me­cha­nis­men der Zell­zy­klus-Kon­trol­le oder die mo­le­ku­la­re Ma­schi­ne­rie zur Re­zep­ti­on von Si­gna­len aus der Um­ge­bung. Sie ver­ste­hen, dass für ei­ne sol­che Zell­kom­mu­ni­ka­ti­on (Ba­sis­kon­zept Kom­mu­ni­ka­ti­on) kom­ple­xe Netz­wer­ke von Si­gnal­mole­kü­len zur Ver­fü­gung ste­hen und er­ken­nen, dass sol­chen Signal­trans­duk­ti­onsvor­gän­gen be­stimm­te Prin­zi­pi­en zu­grun­de lie­gen, die auch im Kon­text an­de­rer bio­lo­gi­scher Pro­zes­se ih­re An­wen­dung fin­den. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen aber auch, dass durch evo­lu­ti­ve Pro­zes­se, wie sie bei der Tu­mor­pro­gres­si­on wir­ken, die po­ten­ten Kon­troll­me­cha­nis­men ei­ner Zel­le un­ter­wan­dert wer­den kön­nen. Ih­nen wird auch be­wusst, dass mit ei­nem zu­neh­men­den Ver­ständ­nis der Me­cha­nis­men, die zu ei­ner Tu­mor­bil­dung füh­ren, sich auch Per­spek­ti­ven für zu­sätz­li­che The­ra­pie­an­sät­ze er­öff­nen, wie et­wa der immun­glo­bu­lin­ba­sier­ten Krebs­the­ra­pie.

BPE 11.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ge­ben grund­sätz­li­che Ei­gen­schaf­ten von Krebs­zel­len an und nen­nen ver­schie­de­ne Krebs­ty­pen. Sie stel­len die klo­na­le Ent­ste­hung von Tu­mo­ren als Fol­ge von so­ma­ti­schen Mu­ta­tio­nen dar.

Un­kon­trol­lier­te Zell­ver­meh­rung, Pri­mär­tu­mor
Klon mu­tier­ter so­ma­ti­scher Zel­len
In­va­si­vi­tät der Zel­len

Be­ni­g­ne, ma­li­gne, se­kun­dä­re Tu­mo­re, Me­ta­st­a­sie­rung
Vor­sor­ge-Un­ter­su­chun­gen, z. B. „Pa­p“-Ab­strich der Cer­vix, An­gio­ge­ne­se
Car­ci­nom, Sar­com, Lym­phom, Leuk­ämie
No­men­kla­tur nach Ur­sprungs­ge­we­be
Mu­ta­ge­ne­se, Car­ci­no­ge­ne­se
ge­ne­ti­sche Prä­dis­po­si­ti­on, vgl. BPE 10

BPE 11.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die Tu­mor­pro­gres­si­on als mehr­stu­fi­gen Pro­zess zu­sam­men, bei dem Kon­troll­sys­te­me der Zel­le zu­neh­mend au­ßer Kraft ge­setzt wer­den. Sie be­schrei­ben ex­em­pla­risch die Ent­wick­lung von Dick­darm­krebs.

Pro­gres­si­on: Zy­klen von Mu­ta­ti­on, Se­lek­ti­on und Pro­li­fe­ra­ti­on
Mi­kro-E­vo­lu­ti­ons­pro­zess
  • Zell­tei­lungs-Kon­troll­me­cha­nis­men

  • Apo­pto­se

Dick­darm­krebs

  • Ade­nom, Car­ci­nom, In­va­si­on, Me­ta­st­a­sie­rung
apc, ras, smad4, p53, ade­nomat­ö­se Po­ly­po­sis co­li

BPE 11.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Rol­le von Tu­mor­su­pres­sor­ge­nen und Pro­to-On­ko­ge­nen im Zu­sam­men­hang mit Zell­zy­klus­kon­trol­le und Zell­pro­li­fe­ra­ti­ons-sti­mu­lie­ren­der Si­gnal­trans­duk­ti­on.

Tu­mor­sup­pres­sor­ge­ne
apc, smad4
  • De­fi­ni­ti­on, Wir­kung

  • p53, p21, Cy­clin-CdK-Kom­plex
Zell­zy­klus­kon­trol­le; Cy­clin-ab­hän­gi­ge Ki­nase
Pro­to-On­ko­gen
Ty­ro­sin­ki­nase-Si­gnal­trans­duk­ti­on
  • De­fi­ni­ti­on, Wir­kung On­ko­gen

  • ex­tra­zel­lu­lä­res Wachs­tums­si­gnal, Ras, Zel­lant­wort

BPE 11.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern Grund­la­gen der Zell­kom­mu­ni­ka­ti­on und be­schrei­ben mög­li­che Si­gnal-in­du­zier­te Zel­lant­wor­ten. Sie er­klä­ren ex­em­pla­risch die bei der Si­gnal­trans­duk­ti­on wir­ken­den Prin­zi­pi­en der Si­gnal­spe­zi­fi­tät, Si­gnal­wei­ter­lei­tung, Si­gnal­ver­stär­kung und Si­gnal­ab­schal­tung un­ter Be­trach­tung prin­zi­pi­el­ler mo­le­ku­la­rer Me­cha­nis­men.

Si­gnal­ein­gang, ‑wei­ter­lei­tung, Zel­lant­wort
Sen­der-Emp­fän­ger-Mo­dell
  • First Mes­sen­ger

  • Re­zep­tor: mem­bran­stän­dig, in­tra­zel­lu­lär

  • Se­cond Mes­sen­ger, in­tra­zel­lu­lä­re Si­gnal­kas­ka­de
Si­gnal-In­te­gra­ti­on
  • Ziel­pro­te­ine zur Zel­lant­wort: Stoff­wech­se­len­zy­me, Gen­re­gu­la­tor­pro­te­ine

Si­gnal­spe­zi­fi­tät: spe­zi­fi­sche Wech­sel­wir­kun­gen
Schlüs­sel-Schlos­s-Prin­zip
  • Li­gand, Re­zep­tor

Si­gnal­wei­ter­lei­tung, ‑ver­stär­kung
ex­em­pla­risch, prin­zi­pi­el­le Me­cha­nis­men
  • Re­zep­tor-Ak­ti­vie­rung: Li­gan­den-in­du­zier­te Kon­for­ma­ti­ons­än­de­rung

  • Ras als mo­le­ku­la­rer Schal­ter: GT­P-Bin­dungs­pro­te­in/GT­Pa­se, Phos­pho­ry­lie­rung, De­phos­pho­ylie­rung, von Si­gnal­pro­te­inen (Ki­nasen­kas­ka­de)
MA­P-Ki­nase-Mo­dul
  • Se­cond Mes­sen­ger cAMP: Ade­ny­la­t-Cy­cla­se, cAM­P-Phos­pho­dies­te­rase
cy­cli­sches Ade­no­sin­mo­no­phos­phat, vgl. BPE 5
  • Kon­zen­tra­ti­ons­er­hö­hung ei­ner nach­ge­schal­te­ten ak­ti­ven Kom­po­nen­te
en­zym­ka­ta­ly­sier­te Schrit­te, MA­P-Ki­nase-Mo­dul, vgl. BPE 7
Si­gnal­ab­schal­tung

BPE 11.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Prin­zi­pi­en von The­ra­pie­an­sät­zen für Krebs­er­kran­kun­gen im Über­blick und er­klä­ren die Wir­kung im­mun­glo­bu­lin­ba­sier­ter Krebs­the­ra­pi­en.

Krebs­the­ra­pi­en: Ope­ra­ti­on, Strah­len­the­ra­pie, Che­mo­the­ra­pie
gen­the­ra­peu­ti­sche An­sät­ze
  • An­ti­kör­per­the­ra­pie durch Blo­cka­de der Re­zep­tor-Ak­ti­vie­rung
  • Dick­darm- und Brust­krebs
Blo­cka­de des Re­zep­tors:
Ce­tu­xi­m­ab: EG­FR; Tras­tu­zu­m­ab: Her2
Blo­cka­de des Li­gan­den:
Be­va­ci­zu­m­ab: VE­GF, An­gio­ge­ne­se-Hem­mer

BPE 12

La­bor­übun­gen

40 (40)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen den ver­ant­wor­tungs­vol­len und si­che­ren Um­gang mit gen­tech­nisch ver­än­der­ten Bak­te­ri­en ken­nen und füh­ren sach­ge­rech­te Ex­pe­ri­men­te durch.
Sie ver­tie­fen Prin­zi­pi­en der DNA-I­so­lie­rung und Ana­ly­se am Bei­spiel bak­te­ri­el­ler Plas­mi­d-D­NA. Sie nut­zen die­se in ei­nem S1-Ex­pe­ri­ment zur Klo­nie­rung und er­zeu­gen so gen­tech­nisch ver­än­der­te Or­ga­nis­men, die sie mit­hil­fe mi­kro­bio­lo­gi­scher und mo­le­ku­lar­bio­lo­gi­scher Ver­fah­ren ana­ly­sie­ren. Die im Theo­rie­un­ter­richt er­wor­be­nen Kennt­nis­se wer­den in den La­bor­übun­gen an­ge­wen­det und ver­tieft. Da­bei sol­len im Un­ter­richt ge­zielt Par­al­le­len zwi­schen na­tür­li­chen zel­lu­lä­ren Vor­gän­gen und de­ren gen­tech­ni­scher An­wen­dung auf­ge­zeigt wer­den.

BPE 12.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Aga­ro­se-Ge­l­elek­tro­pho­re­se als Me­tho­de zur Tren­nung von DNA-Frag­men­ten und er­läu­tern die Be­deu­tung des DNA-Län­gen­stan­dards für de­ren Grö­ßen­be­stim­mung. Sie be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Schrit­te der Plas­mi­d-I­so­la­ti­on und die Säu­len­chro­ma­to­gra­fie als Ver­fah­ren zur Plas­mi­d-D­NA-R­ei­ni­gung. Sie er­mit­teln Frag­men­t-Län­gen und un­ter­su­chen ge­l­elek­tro­pho­re­tisch auf­ge­trenn­te Plas­mi­d-D­NA vor und nach der Be­hand­lung mit Re­strik­ti­ons­en­zy­men hin­sicht­lich ih­rer Struk­tur und Iden­ti­tät. Sie skiz­zie­ren das Prin­zip ei­ner Re­strik­ti­ons­kar­tie­rung von Plas­mi­den.

Auf­bau ei­nes Gels, Be­deu­tung der Puf­fer, Lauf­ver­hal­ten der DNA
Aga­ro­se-Kon­zen­tra­ti­on und Trenn­schär­fe
DNA-De­tek­ti­on: Ban­den
DNA-Farb­stof­fe
Frag­men­t-Län­gen: gra­fi­sche Ana­ly­se, Eich­kur­ve
im Ver­gleich zur Me­tho­de des Ab­schät­zens
Plas­mi­d-I­so­la­ti­on

Säu­len­chro­ma­to­gra­fie: Pro­ben­auf­trag, Wa­schen, Elu­ti­on

  • Re­ten­ti­on, Ver­tei­lung von Stof­fen
auf­grund phy­si­ka­lisch-che­mi­scher Ei­gen­schaf­ten
  • Re­strik­ti­on, Ge­l­elek­tro­pho­re­se

  • Lauf­ver­hal­ten na­ti­ves bzw. li­nea­ri­sier­tes Plas­mid
su­per­coi­le­d-Kon­for­ma­ti­on
  • Ab­fol­ge, Ab­stän­de von Re­strik­ti­ons­stel­len
vgl. BPE 8

BPE 12.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die re­strik­ti­ons­ba­sier­te Klo­nie­rung ei­nes Gens zur Er­zeu­gung ei­nes re­kom­bi­nan­ten Plas­mids. Sie prü­fen die An­for­de­run­gen an die zu ver­wen­den­den Re­strik­ti­ons­en­zy­me. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen prin­zi­pi­el­le Klo­nie­rungs­schrit­te zu­sam­men und er­klä­ren die Not­wen­dig­keit ei­nes be­stimm­ten Me­di­ums für die Se­lek­ti­on von Trans­for­man­ten. Sie über­prü­fen den Er­folg der Trans­for­ma­ti­on.

Klo­nie­rungs­stra­te­gie: En­den-Kom­pa­ti­bi­li­tät, In­ser­t-Ori­en­tie­rung
Vek­tork­ar­ten, vgl. BPE 8
DNA-I­so­la­ti­on, Re­strik­ti­on
De­phos­pho­ry­lie­rung des Vek­tors, vgl. BPE 8
Prä­pa­ra­ti­on In­sert‑, Vek­tor-D­NA

DNA-Kon­zen­tra­ti­ons­be­stim­mung, Li­ga­ti­on
mo­la­re Ver­hält­nis­se der En­den, vgl. BPE 6
Her­stel­lung kom­pe­ten­ter Zel­len, Trans­for­ma­ti­on
Cal­ci­um­chlo­ri­d-Me­tho­de, vgl. BPE 8
Kul­ti­vie­rung, Se­lek­ti­on: Trans­for­ma­ti­ons­kon­trol­le
Auf­nah­me des Plas­mids mit bla-Gen, vgl. BPE 8
Ana­ly­se: PCR, Re­strik­ti­ons­kar­tie­rung oder Re­por­ter
Green Fluo­re­scent Pro­te­in (GFP)

BPE 12.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler deu­ten die PCR als Me­tho­de der DNA-Am­pli­fi­ka­ti­on und zur DNA-Ty­pi­sie­rung. Sie be­grün­den den Ein­satz der Kom­po­nen­ten ei­nes PCR-An­sat­zes und dis­ku­tie­ren not­wen­di­ge Kon­trol­len. Sie lei­ten an­hand aus­ge­wähl­ter DNA-Se­quen­zen die zu ver­wen­den­den PCR-Pri­mer ab und er­mit­teln ein ge­eig­ne­tes Tem­pe­ra­tur-Zeit-Pro­fil. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler pro­to­kol­lie­ren ihr Vor­ge­hen und wer­ten die Er­geb­nis­se der PCR aus.

DNA-Ty­pi­sie­rung mit­tels PCR
Alu-Se­quen­zen, vgl. BPE 5, BPE 10
Re­ak­ti­ons­an­satz: Tem­pla­te-D­NA, Pri­mer-Paar, Taq-Po­ly­me­ra­se, Re­ak­ti­ons­puf­fer mit dNTPs

Po­si­tiv- und Ne­ga­tiv­kon­trol­le

Pri­mer-De­sign: Pri­mer-Bin­dungs­stel­len, Pri­mer-Spe­zi­fi­tät, Be­rech­nung
An­nea­lin­g-Tem­pe­ra­tur

De­na­tu­rie­rungs‑, An­nea­ling- und Po­ly­me­ri­sa­ti­ons­tem­pe­ra­tur und ‑zeit

Aus­wer­tung

  • Ge­l­elek­tro­pho­re­se

  • Ban­den­an­zahl, Frag­men­t-Län­gen: Al­le­le, Ge­no­ty­pen
Alu-Mo­dell­ver­such

Jahr­gangs­stu­fe 2

Ver­tie­fung – In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen – Pro­jekt­un­ter­richt (VIP)

48

Ver­tie­fung

In­di­vi­dua­li­sier­tes Ler­nen

Pro­jekt­un­ter­richt

z. B.
Übun­gen
An­wen­dun­gen
Wie­der­ho­lun­gen
z. B.
Selbst­or­ga­ni­sier­tes Ler­nen
Lern­ver­ein­ba­run­gen
Bin­nen­dif­fe­ren­zie­rung
z. B.
Grü­ne Bio­tech­no­lo­gie: Her­stel­lung gen­tech­nisch ver­än­der­ter Pflan­zen
(Agro­bak­te­ri­um, CRISPR/Cas9)
Bio­tech­no­lo­gi­scher Bei­trag zu re­ge­ne­ra­ti­ven En­er­gi­en vor dem Hin­ter­grund des Kli­ma­wan­dels
Be­deu­tung von Klär­an­la­gen für aqua­ti­sche Öko­sys­te­me un­ter be­son­de­rer Be­trach­tung der Spu­ren­stof­f-Pro­ble­ma­tik
Die The­men­aus­wahl des Pro­jekt­un­ter­richts hat aus den nach­fol­gen­den Bil­dungs­plan­ein­hei­ten un­ter Be­ach­tung Fä­cher ver­bin­den­der As­pek­te zu er­fol­gen.

BPE 13

Zel­lu­lä­rer Stoff­wech­sel am Bei­spiel der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on: Zel­l­at­mung

38

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen, dass Stoff­wech­sel­leis­tun­gen Kenn­zei­chen al­ler Le­be­we­sen und da­mit Grund­la­ge für die bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on sind. Sie er­ken­nen die Ge­ne­rie­rung zel­lu­lär nutz­ba­rer Ener­gie in Form von ATP als Not­wen­dig­keit für den Er­halt und die Ver­meh­rung von Zel­len. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wen­den ih­re Kennt­nis­se über­ge­ord­ne­ter, wie­der­keh­ren­der Stoff­wech­sel-Prin­zi­pi­en auch auf un­be­kann­te Stoff­wech­sel­pro­zes­se an und er­fas­sen de­ren bio­lo­gi­sche Be­deu­tung.

BPE 13.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen Stoff­wech­sel­ab­schnit­te der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on und be­schrei­ben de­ren bio­lo­gi­sche Be­deu­tung. Sie stel­len die Bi­lanz­re­ak­ti­ons­glei­chung der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on dar.

Gly­k­o­ly­se, oxi­da­ti­ve De­c­ar­boxy­lie­rung, Ci­trat­zy­klus, At­mungs­ket­te
ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on und Fo­to­syn­the­se Koh­len­stoff­kreis­lauf, vgl. BPE 1
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung

  • Ka­ta‑, Ana­bo­lis­mus; C-Ge­rüs­te
vgl. BPE 1
  • En­er­gie­äqui­va­len­te: AT­P/ADP, GT­P/GDP, Pi
Pi: an­or­ga­ni­sches Phos­phat
  • Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te: NAD+/NADH + H+; FA­D/FADH2

Stoff­bi­lanz
Sum­men­for­mel­schreib­wei­se

BPE 13.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­nen­nen En­zym­klas­sen, be­schrei­ben de­ren Wir­kungs­wei­se an­hand von Bei­spie­len und be­nen­nen die ent­spre­chen­den Re­ak­ti­ons­ty­pen.

Ox­ido­re­dukta­sen, Trans­fe­ra­sen, Hy­dro­la­sen, Lya­sen, Iso­me­ra­sen, Li­ga­sen
vgl. BPE 4
Oxi­da­ti­on, Re­duk­ti­on; Hy­drie­rung, De­hy­drie­rung; Phos­pho­ry­lie­rung, De­phos­pho­ry­lie­rung; Hy­dro­ly­se, Kon­den­sa­ti­on; Car­boxy­lie­rung, De­c­ar­boxy­lie­rung; Ad­di­ti­on an Dop­pel­bin­dung; Hy­dra­ti­sie­rung, De­hy­dra­ti­sie­rung; Iso­me­ri­sie­rung
vgl. BPE 3

BPE 13.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len die Gly­k­o­ly­se im Über­blick dar und lei­ten aus Re­ak­tio­nen in Struk­tur­for­mel­schreib­wei­se Re­ak­ti­ons­ty­pen, En­zym­klas­sen, feh­len­de Me­ta­bo­li­te oder Co­fak­to­ren ab. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die bio­lo­gi­sche Be­deu­tung der Gly­k­o­ly­se zu­sam­men.

Lo­ka­li­sa­ti­on

Re­ak­ti­ons­schrit­te: Me­ta­bo­li­te in Struk­tur­for­meln

En­er­gie‑, Elek­tro­nen- und Pro­to­nen­über­trä­ger: Co­fak­to­ren in Kurz­schreib­wei­se

  • Do­no­r-Ak­zep­tor-Prin­zip

  • Prin­zip der En­er­gie­kopp­lung

Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung, Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz: Stoff­bi­lanz, En­er­gie- und Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te
Sum­men­for­mel­schreib­wei­se

BPE 13.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen wie­der­keh­ren­de Re­ak­ti­ons­prin­zi­pi­en des Stoff­wech­sels und er­läu­tern die­se an­hand vor­lie­gen­der Re­ak­tio­nen der Gly­k­o­ly­se. Sie lei­ten die Be­deu­tung die­ser Prin­zi­pi­en ab und wen­den sie auch auf un­be­kann­te Re­ak­tio­nen und Re­ak­ti­ons­fol­gen an.

De­sta­bi­li­sie­rung, er­leich­ter­te Fol­ge­re­ak­tio­nen
Glu­co­se­phos­pho­ry­lie­rung durch He­xo­ki­nase
Re­ver­si­ble und ir­rever­si­ble Re­ak­tio­nen, En­er­ge­tik von Hin- und Rück­re­ak­ti­on
He­xo­ki­nase bzw. Glu­co­se-6-Phos­pha­ta­se
Gleich­ge­wichts­ver­schie­bung durch Fol­ge­re­ak­ti­on
Di­hy­drox­ya­ce­ton‑, Gly­ce­ri­nalde­hy­d-3-phos­phat
Kopp­lung ex­ergo­ni­scher und end­ergo­ni­scher Re­ak­tio­nen
Re­ak­ti­on von Phos­pho­e­nol­py­ru­vat zu Py­ru­vat
Iso­me­ri­sie­rung
Phos­pho­gly­ce­ra­t-Mu­ta­se; De­sta­bi­li­sie­rung
Re­dox­re­ak­ti­on: Elek­tro­ne­ga­ti­vi­tät, Oxi­da­ti­ons­zahl
Re­ak­ti­on von Gly­ce­ri­nalde­hy­d-3-phos­phat zu 1,3-Bis­phos­pho­gly­ce­rat; En­er­gie­kopp­lung
Sub­strat­ket­ten­phos­pho­ry­lie­rung
Re­ak­ti­on von Phos­pho­e­nol­py­ru­vat zu Py­ru­vat

BPE 13.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­grün­den am Bei­spiel der Gly­k­o­ly­se die Not­wen­dig­keit der Re­gu­la­ti­on von Stoff­wech­sel­pro­zes­sen. Sie er­läu­tern die Be­deu­tung ei­nes Schlüs­se­len­zy­mes bei der Re­gu­la­ti­on von Re­ak­ti­ons­fol­gen am Bei­spiel der Phos­phof­ruk­to­ki­nase.

Ver­zah­nung von Stoff­wech­sel­pro­zes­sen

Ka­ta­ly­se ir­rever­si­bler Schrit­te

Re­gu­la­ti­on, al­los­te­ri­sche Ef­fek­to­ren

  • ADP: Si­gnal für En­er­gie­be­darf

  • ATP: End­pro­dukt­hem­mung

  • Ho­möo­stase-Prin­zip: kon­stan­te AT­P-Kon­zen­tra­ti­on durch ne­ga­ti­ve Rück­kopp­lung

BPE 13.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler fas­sen die Re­ak­tio­nen der oxi­da­ti­ven De­c­ar­boxy­lie­rung und ih­re bio­lo­gi­sche Be­deu­tung zu­sam­men. Sie ge­ben de­ren Re­ak­ti­ons­glei­chung in Struk­tur­for­mel­schreib­wei­se mit Co­fak­to­ren in Kurz­schreib­wei­se an.

Bi­lanz­re­ak­ti­ons­glei­chung

Lo­ka­li­sa­ti­on
Pro‑, Eu­ka­ryo­ten; Py­ru­va­t-Car­ri­er
Py­ru­va­t-De­hy­dro­ge­na­se-Kom­plex, Co­fak­to­ren
Mul­ti­en­zym­kom­plex
Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung

  • De­c­ar­boxy­lie­rung, C-Ge­rüs­te

  • Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te

  • Ak­ti­vie­rung: HS-CoA, Ace­ty­l-S-CoA
Co­en­zym A

BPE 13.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler stel­len den Ci­trat­zy­klus im Über­blick dar. Sie lei­ten aus in Struk­tur­for­mel­schreib­wei­se vor­lie­gen­den Re­ak­tio­nen die feh­len­den Co­fak­to­ren und Me­ta­bo­li­te, die En­zym­klas­sen der be­tei­lig­ten En­zy­me und die Re­ak­ti­ons­ty­pen be­grün­det ab. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern bei vor­lie­gen­den Re­ak­tio­nen des Ci­trat­zy­klus Prin­zi­pi­en des Stoff­wech­sels und stel­len die En­er­gie­bi­lanz des Ci­trat­zy­klus mit ATP und Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­ten dar. Sie be­schrei­ben die Be­deu­tung des Ci­trat­zy­klus und er­läu­tern die Not­wen­dig­keit auf­fül­len­der Re­ak­tio­nen.

Lo­ka­li­sa­ti­on
Pro‑, Eu­ka­ryo­ten
Ci­tra­t-Syntha­se-Re­ak­ti­on, Struk­tur­for­meln
Bin­dung der Ace­ty­l-Grup­pe an
Oxa­lace­tat
Kreis­pro­zess, Me­ta­bo­li­te in Struk­tur­for­meln

Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung

  • De­c­ar­boxy­lie­run­gen, C-Ge­rüs­te, voll­stän­di­ge Oxi­da­ti­on

  • Ak­zep­tor-Re­ge­ne­ra­ti­on

  • Aus­gangs­punkt für Bio­syn­the­sen
Ami­no­säu­ren­syn­the­se, ‑ab­bau
  • En­er­gie‑, Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te
GTP äqui­va­lent zu ATP
  • auf­fül­len­de Re­ak­ti­on: Py­ru­vat­c­ar­boxy­la­se

BPE 13.8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die Kom­par­ti­men­tie­rung des Mi­to­chon­dri­ums als Vor­aus­set­zung für die Er­zeu­gung von Stoff­gra­di­en­ten und die da­mit ge­kop­pel­te AT­P-Syn­the­se. Sie be­grün­den an­hand des Re­dox­po­ten­zi­als die Rich­tung des Elek­tro­nen­trans­ports bei vor­ge­ge­be­nen Re­dox­paa­ren.

Äu­ße­re und in­ne­re Mi­to­chon­dri­en­mem­bran, In­ter­mem­bran­raum, Ma­trix
Prin­zip der Ober­flä­chen­ver­grö­ße­rung,
vgl. BPE 1 – 2
Elek­tro­nen­trans­port­ket­te, Pro­to­nen­pum­pen, AT­P-Syntha­se
vgl. BPE 1 – 2
De­fi­ni­ti­on: Re­dox­po­ten­zi­al
Elek­tro­nen­af­fi­ni­tä­ten

BPE 13.9

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­läu­tern die en­er­ge­ti­sche Kopp­lung von ex­ergo­ni­schem Elek­tro­nen­fluss mit end­ergo­ni­schem Pro­to­nen­trans­port und ex­ergo­ni­schem Pro­to­nen­gra­di­ent mit end­ergo­ni­scher AT­P-Syn­the­se. Sie er­läu­tern die bio­lo­gi­sche Be­deu­tung der At­mungs­ket­te und er­mit­teln die Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz der ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on.

Che­mio­s­mo­se: Kom­ple­xe I bis IV, Ubichi­non, Cy­to­chrom c, AT­P-Syntha­se

  • Re­dox­sys­te­me, Elek­tro­nen­über­tra­gung

  • Pro­to­nen­pum­pen, elek­tro­che­mi­scher Pro­to­nen­gra­di­ent

  • oxi­da­ti­ve Phos­pho­ry­lie­rung

Bio­lo­gi­sche Be­deu­tung, Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz

  • Oxi­da­ti­on der Re­duk­ti­ons­äqui­va­len­te, Re­ge­ne­ra­ti­on von NAD+ und FAD

  • En­er­gie­ge­winn: 38 mol ATP pro mol Glu­co­se; Wir­kungs­grad­be­rech­nung
Aus­beu­te ver­rin­gert durch z. B. Trans­port­vor­gän­ge

BPE 14

An­ae­ro­be Dis­si­mi­la­ti­on: Gly­k­o­ly­se mit Gä­rung

8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­ste­hen Gä­run­gen als an­ae­ro­be Pro­zes­se der En­er­gie­ge­win­nung und Re­ge­ne­ra­ti­on von NAD+, wo­bei im Ver­gleich zur ae­ro­ben Dis­si­mi­la­ti­on Glu­co­se nur un­voll­stän­dig mit ge­rin­gem AT­P-Ge­winn ab­ge­baut wird. Sie er­ken­nen, dass mit­hil­fe von Gä­rungs­pro­zes­sen bio­tech­no­lo­gisch re­le­van­te Stof­fe zum Nut­zen für den Men­schen pro­du­ziert wer­den.

BPE 14.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Re­ak­tio­nen von Py­ru­vat bis zum je­wei­li­gen End­pro­dukt der Gä­run­gen in Struk­tur­for­meln und be­nen­nen die ent­spre­chen­den En­zy­me und Re­ak­ti­ons­ty­pen. Sie nen­nen zu Gä­run­gen be­fä­hig­te Mi­kro­or­ga­nis­men und de­ren Nut­zen für den Men­schen.

Al­ko­ho­li­sche Gä­rung

  • Lo­ka­li­sa­ti­on

  • Stoff­wech­sel­weg: Gly­k­o­ly­se; Py­ru­va­t-De­c­ar­boxy­la­se, Al­ko­hol-De­hy­dro­ge­na­se
vgl. BPE 13
  • Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz, Wir­kungs­grad

  • Sac­cha­ro­my­ces ce­re­vi­siae, Zy­mo­mo­nas mo­bi­lis: Bier- und Wein­her­stel­lung, Pro­duk­ti­on von Bio­etha­nol
Nach­hal­tig­keit
Ho­mo­fer­men­ta­ti­ve Milch­säu­re­gä­rung

  • Lo­ka­li­sa­ti­on: Cy­to­plas­ma

  • Stoff­wech­sel­weg: Gly­k­o­ly­se; Lac­ta­t-De­hy­dro­ge­na­se
vgl. BPE 13
  • Ge­samt­re­ak­ti­ons­bi­lanz, Wir­kungs­grad

  • Milch­säu­re­bak­te­ri­en: Kon­ser­vie­rung von Le­bens­mit­teln

BPE 14.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen den an­ae­ro­ben Ab­bau der Glu­co­se mit dem des ae­ro­ben Ab­baus.

Oxi­da­ti­on der Glu­co­se
voll­stän­dig bzw. un­voll­stän­dig
Re­ge­ne­ra­ti­on von NAD+

En­er­gie­ge­winn, Wir­kungs­grad
vgl. BPE 13

BPE 15

Bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­ti­on

42

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler lei­ten, ent­spre­chend den vor­ge­ge­be­nen Pro­zess­zie­len und Be­dürf­nis­sen der Mi­kro­or­ga­nis­men, den Bio­re­ak­tor­typ, das Nähr­me­di­um, die ein­zu­stel­len­den Pa­ra­me­ter und die Pro­zess­füh­rung ab. Sie wen­den Prin­zi­pi­en der Re­ge­lung für ei­ne op­ti­ma­le Pro­dukt­bil­dung an und be­schrei­ben tech­ni­sche Re­gel­krei­se. Aus den Ei­gen­schaf­ten des Pro­dukts lei­ten die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ge­eig­ne­te Ver­fah­ren zur Pro­dukt­ge­win­nung, Pro­dukt­rei­ni­gung und Rein­heits- bzw. Ak­ti­vi­täts­kon­trol­le ab.

BPE 15.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler nen­nen die prin­zi­pi­el­len Schrit­te der bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­on so­wie bei­spiel­haf­te Pro­zess­zie­le.

Upst­ream-Pro­zess

  • Pro­duk­ti­ons­stamm
vgl. BPE 8
  • Bio­re­ak­tor­typ, Nähr­me­di­um, Ste­ri­li­sa­ti­on

  • Impf­gut­an­zucht, Ino­ku­la­ti­on
Sca­le-up
Fer­men­ta­ti­on: Pro­zess­füh­rung

Down­stream-Pro­zess

  • Pro­dukt‑, Zellab­tren­nung; Zel­lauf­schluss
in­tra­zel­lu­lä­res bzw. ex­tra­zel­lu­lä­res Pro­dukt
  • Pro­dukt­rei­ni­gung, Kon­trol­le
Rein­heit; Ak­ti­vi­tät
Pro­zess­zie­le
Li­te­ra­tur­re­cher­che
  • Bio­mas­se­pro­duk­ti­on
Back­he­fe
  • Pro­duk­ti­on von Stoff­wech­sel­pro­duk­ten
Etha­nol, An­ti­bio­ti­ka, En­zy­me
  • Bio­trans­for­ma­ti­on
Ste­ro­ide, Vit­amin C
  • Ab­bau um­welt­be­las­ten­der Sub­stan­zen
Ab­was­ser­rei­ni­gung

BPE 15.2

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die prin­zi­pi­el­len Funk­tio­nen ei­nes Bio­re­ak­tors. Sie be­nen­nen die Be­stand­tei­le ei­nes Rühr­kes­sel­bio­re­ak­tors und be­schrei­ben de­ren Funk­ti­on.

Re­ak­ti­ons­raum, Re­ge­lung

Ste­ri­les Ar­bei­ten, Si­cher­heit

Rühr­werk: Durch­mi­schung

Zu­lauf­sys­te­me: Nähr­stof­fe, Kor­rek­tur­mit­tel
Ino­ku­la­ti­on, Nach­füt­te­rung
pO2-Son­de, Be­lüf­tungs­sys­tem: Luf­t-Zu­fuhr, Durch­mi­schung, Re­ge­lung
Ro­ta­me­ter, Rüh­rer­dreh­zahl
Schaum­son­de, An­tischaum­mit­tel­vor­la­ge

Tem­pe­ra­tur­son­de, Heiz- und Kühl­vor­rich­tung

Ab­luft­rohr, ‑küh­ler, ‑fil­ter

pH-Son­de, Kor­rek­tur­mit­tel­vor­la­ge mit Säu­re- bzw. Ba­se-Pum­pe

Pro­ben­ent­nah­me­sys­tem
kom­ple­xe Re­gel­grö­ßen

BPE 15.3

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ver­glei­chen ver­schie­de­ne Bio­re­ak­tor­ty­pen.

Rühr­kes­sel­re­ak­tor, Fest­bett­re­ak­tor

Ver­gleichs­kri­te­ri­en: Durch­mi­schung, Scher­kräf­te, sus­pen­dier­te oder fi­xier­te Bio­ka­ta­ly­sa­to­ren
Fest­bett­re­ak­tor: Aus­bil­dung von Kon­zen­tra­ti­ons­gra­di­en­ten
Fi­xier­ter Bio­ka­ta­ly­sa­tor: Im­mo­bi­li­sie­rung
Cal­ci­um-Al­gi­na­t-Ver­such
  • Ad­sorp­ti­on, ko­va­len­te Bin­dung, Ver­net­zung, Po­ly­mer-Ein­schluss

  • Vor­tei­le: Bio­ka­ta­ly­sa­tor­sta­bi­li­tät, Ka­ta­ly­sa­tor-Wie­der­ge­win­nung
kon­ti­nu­ier­li­che Pro­zess­füh­rung

BPE 15.4

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler er­klä­ren die Be­deu­tung der Rein­kul­tur und des ste­ri­len Ar­bei­tens für die Pro­dukt­bil­dung und be­schrei­ben die ge­ne­rel­len Kul­ti­vie­rungs­be­dürf­nis­se von Or­ga­nis­men in ei­nem bio­tech­no­lo­gi­schen Pro­duk­ti­ons­pro­zess. Sie lei­ten dar­aus An­for­de­run­gen an das Nähr­me­di­um für die Kul­ti­vie­rung die­ser Or­ga­nis­men und die zu re­gu­lie­ren­den Pa­ra­me­ter ab. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler prü­fen die Zu­ord­nung von Nähr­me­di­en zu ver­schie­de­nen Nähr­me­di­en­klas­sen und er­klä­ren die Ef­fek­te auf die Kul­ti­vie­rung von Zel­len.

Misch‑, Rein­kul­tur, Stoff­wech­sel­ei­gen­schaf­ten
ge­ne­ti­sche Ho­mo­ge­ni­tät
Nähr­me­di­en­pa­ra­me­ter
vgl. BPE 6
  • pH-Wert, puf­fern­de Sub­stan­zen

  • C‑, O‑, H‑, N‑, P‑, S-Quel­len, En­er­gie­quel­le: Kon­zen­tra­ti­on, Ver­füg­bar­keit
N, P und S in Sal­zen
pH-Wert, Tem­pe­ra­tur, ge­lös­ter Sau­er­stoff

Nähr­me­di­en­klas­sen

  • kom­plex, de­fi­niert
Öko­no­mie, Re­pro­du­zier­bar­keit
  • se­lek­tiv, dif­fe­ren­zie­rend
An­ti­bio­tika­re­sis­tenz
  • in­duk­tiv
Gen­re­gu­la­ti­on, vgl. BPE 8

BPE 15.5

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben prin­zi­pi­el­le Ver­fah­ren zur Ste­ri­li­sa­ti­on von Me­di­en und Ge­rä­ten und er­klä­ren bei­spiel­haft den Ein­fluss von Kon­ta­mi­na­tio­nen auf die bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­dukt­bil­dung an­hand ty­pi­scher Pro­zess­ver­laufs­gra­fi­ken.

Hit­zes­te­ri­li­sa­ti­on: tro­cken, feucht
Au­to­kla­vie­ren
Fil­ters­te­ri­li­sa­ti­on

Bil­dung un­er­wünsch­ter Stof­fe
Be­gleit­al­ko­ho­le
Wachs­tums­hem­mung des Pro­duk­ti­ons­stam­mes
Nähr­stoff­kon­kur­renz

BPE 15.6

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben und be­grün­den die Wachs­tums­pha­sen ei­ner bak­te­ri­el­len Batch­kul­tur. Sie ver­glei­chen un­ter­schied­li­che Ar­ten der Pro­zess­füh­rung und er­mit­teln die­se pas­send zu den Zie­len des Pro­duk­ti­ons­ver­fah­rens.

An­lauf‑, ex­po­nen­ti­el­le, sta­tio­nä­re und Ab­ster­be-Pha­se mit Über­gangs­pha­sen
la­g-Pha­se, lo­g-Pha­se
Batch, Fe­d-Batch, Kon­ti­nu­ier­lich

Aus­wahl­kri­te­ri­en

  • Pro­duk­ti­ons­or­ga­nis­mus: me­cha­ni­sche, ge­ne­ti­sche Sta­bi­li­tät; Ste­ri­li­täts­an­for­de­run­gen

  • Pro­duk­t-Aus­beu­te

  • To­xi­zi­tät von Ne­ben­pro­duk­ten

BPE 15.7

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­ten gra­fi­sche Dar­stel­lun­gen der Pa­ra­me­ter­ver­läu­fe aus und lei­ten die Art der Pro­zess­füh­rung ab.

Zel­len, Bio­mas­se: OD, Zell­mas­se, Zell­zahl
XY-Zeit­ver­laufs­dia­gram­me; hal­blo­ga­rith­misch
Kon­zen­tra­ti­on der Nähr­me­di­en­be­stand­tei­le
Stoff­men­gen­kon­zen­tra­ti­on und Mas­sen­an­tei­le
Kon­zen­tra­ti­on der Pro­duk­te und Ne­ben­pro­duk­te

pH-Wert, pO2

BPE 15.8

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler de­fi­nie­ren den Be­griff Re­ge­lung und er­klä­ren des­sen Grund­prin­zi­pi­en. Sie be­schrei­ben das Zu­sam­men­spiel von Grö­ßen und Wer­ten und skiz­zie­ren ky­ber­ne­ti­sche Re­gel­krei­se in Form von Block­dia­gram­men für je­weils ei­ne Re­gel­grö­ße. Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler prü­fen die Zu­ord­nung der Ele­men­te des Re­gel­krei­ses zu den Bau­tei­len ei­nes Rühr­kes­sel­bio­re­ak­tors.

Mes­sen, Ver­glei­chen, Stel­len: Kon­stanz ei­ner Re­gel­grö­ße
ge­schlos­se­ner Wir­kungs­ab­lauf, ne­ga­ti­ve Rück­kopp­lung
XY-Zeit­ver­laufs­dia­gram­me

Ein­schlei­fi­ger Re­gel­kreis: pO2, pH-Wert, Tem­pe­ra­tur

Re­gel­grö­ße, Stör­grö­ße, Mess­glied, Is­t-Wert, Füh­rungs­grö­ße: Soll­wert, Reg­ler, Is­t-Soll­wer­t-Dif­fe­renz (Stell­wert), Stell­grö­ße, Stell­glied

BPE 15.9

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben den Down­stream-Pro­zess so­wohl ei­nes ex­tra- als auch ei­nes in­tra­zel­lu­lä­ren Pro­dukts, er­läu­tern die Vor­tei­le ei­nes ex­tra­zel­lu­lä­ren Pro­dukts und be­schrei­ben ver­schie­de­ne Mög­lich­kei­ten des Zel­lauf­schlus­ses.

Zel­l­ern­te bei in­tra­zel­lu­lä­rem, Zell­se­pa­ra­ti­on bei ex­tra­zel­lu­lä­rem Pro­dukt: Zen­tri­fu­ga­ti­on, Fil­tra­ti­on

Ge­win­nung, Rei­ni­gung bei in­tra­zel­lu­lä­rem bzw. ex­tra­zel­lu­lä­rem Pro­dukt

Zel­lauf­schluss bei in­tra­zel­lu­lä­rem Pro­dukt

  • che­misch
De­ter­gen­ti­en
  • en­zy­matisch
Ly­so­zym
  • me­cha­nisch
Ul­tra­schall, Druck­än­de­rung
Ab­tren­nung von Zell­trüm­mern, prä­zi­pi­tier­ten Zel­l­in­halts­stof­fen: Zen­tri­fu­ga­ti­on, Fil­tra­ti­on
DNA-I­so­la­ti­on, Plas­mi­di­so­la­ti­on

BPE 15.10

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben das Prin­zip der Chro­ma­to­gra­fie und er­läu­tern ver­schie­de­ne Trenn­ver­fah­ren. Sie be­schrei­ben die Mög­lich­keit zur Pro­dukt­rei­ni­gung mit­tels Säu­len­chro­ma­to­gra­fie und in­ter­pre­tie­ren Chro­ma­to­gram­me.

Sta­tio­nä­re, mo­bi­le Pha­se

Trenn­ver­fah­ren nach Grö­ße, Form, Mas­se, La­dung, Po­la­ri­tät, Af­fi­ni­tät

Säu­len­chro­ma­to­gra­fie
vgl. BPE 6
  • prin­zi­pi­el­le Schrit­te: Equi­li­brie­rung, Pro­ben­auf­trag, Wa­schen, Elu­ti­on, Re­ge­ne­ra­ti­on

  • Auf­bau: Säu­le mit sta­tio­nä­rer Pha­se; De­tek­ti­ons‑, Sam­mel­sys­tem
Frit­te, Ma­trix; Durch­fluss­fo­to­me­ter, Frak­ti­ons­samm­ler
  • Gel­fil­tra­ti­on, Af­fi­ni­tätsch­ro­ma­to­gra­fie
vgl. BPE 3 – 4
Re­ten­ti­on, Re­ten­ti­ons­zei­ten, De­tek­tor­si­gnal, Peak
Peak­hö­he und Peak­brei­te

BPE 15.11

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben die Auf­tren­nung und mo­la­re Mas­sen­be­stim­mung von Pro­te­inen durch SDS-PA­GE zur Rein­heits­kon­trol­le des ge­won­ne­nen Pro­tein­pro­dukts. Sie er­klä­ren die prin­zi­pi­el­le Vor­ge­hens­wei­se bei der Be­stim­mung der Ak­ti­vi­tät von En­zy­men.

Ge­lauf­bau, Be­deu­tung der Puf­fer; Pro­te­in-Lauf­ver­hal­ten, Prote­in­net­to­la­dung
vgl. BPE 12
PA­GE: na­ti­ve Pro­te­ine
Po­l­ya­cryl­amid­ge­l­elek­tro­pho­re­se
SDS-PA­GE: de­na­tu­rier­te Pro­te­ine

  • Hit­ze, SDS: De­na­tu­rie­rung, La­dung
So­di­um­do­de­cyl­sul­fat, De­ter­genz
  • Re­duk­ti­ons­mit­tel: Di­sul­fid­brü­cken
2-Sul­fanyle­tha­nol
De­tek­ti­on: Pro­te­in­ban­den, Elek­tro­phe­ro­gramm
Farb­stof­fe: Coo­mas­sie-Bril­li­an­t-Blau
Mar­ker­pro­te­ine, Mo­le­kül­mas­sen­stan­dard
Län­gen­stan­dard, vgl. BPE 12
Kon­zen­tra­ti­ons‑, Ak­ti­vi­täts­mes­sung; Stan­dard­lö­sun­gen
Fluo­ri­me­trie, Fo­to­me­trie, vgl. BPE 6

BPE 16

La­bor­übun­gen

32 (32)

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen den prak­ti­schen Um­gang mit ei­nem Bio­re­ak­tor ken­nen und mes­sen re­le­van­te Pa­ra­me­ter der Pro­zess­füh­rung wäh­rend ei­nes Fer­men­ta­ti­ons­pro­zes­ses. Sie ver­glei­chen grund­le­gen­de Pro­zess­füh­rungs­va­ri­an­ten mit­ein­an­der, er­ken­nen den Ein­fluss be­wusst ge­wähl­ter Pro­zess­pa­ra­me­ter für die ge­wünsch­ten Pro­duk­ti­ons­zie­le und ver­net­zen ihr Vor­wis­sen zum The­ma En­er­gie­stoff­wech­sel.

BPE 16.1

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler be­schrei­ben grund­le­gen­de Ar­beits­schrit­te ei­nes Batch- und Fe­d-Batch-Fer­men­ta­ti­ons­pro­zes­ses am Bei­spiel der Kul­ti­vie­rung von Back­he­fe un­ter ae­ro­ben bzw. an­ae­ro­ben Be­din­gun­gen. Sie er­mit­teln für den Fer­men­ta­ti­ons­pro­zess re­le­van­te Pa­ra­me­ter, wer­ten die­se aus und fas­sen sie in ge­eig­ne­ter Form zu­sam­men.

Fer­men­ta­ti­ons­zie­le: Bio­mas­se‑, Etha­nol-Pro­duk­ti­on, Nach­weis von Pas­teur‑, Crab­tree-Ef­fekt

Upst­ream-Pro­zess:

  • He­fe-Nähr­me­di­um; Kor­rek­tur­mit­tel

  • Hit­ze‑, Fil­ters­te­ri­li­sa­ti­on

  • Son­den-Ka­li­brie­rung

Pro­zess­füh­rung:

  • Pro­zess­leit­sys­tem

  • Rüh­rer­dreh­zahl, Tem­pe­ra­tur, pH-Wert, pO2

Pro­zess­kon­trol­le:

  • Pro­ben­ent­nah­me

  • Wachs­tums­kon­trol­le: Ge­samt­keim­zahl­be­stim­mung mit Zähl­kam­mer, OD-Mes­sung ein­schließ­lich Eich­kur­ve, Le­bend­keim­zahl­be­stim­mung mit Ver­dün­nun­gen und Ver­dün­nungs­rei­hen
Vi­ta­li­täts­fär­bung mit Me­thy­len­blau,
Ein­satz ei­nes Ta­bel­len­kal­ku­la­ti­ons­pro­gramms, vgl. Bio­in­for­ma­tik, Ein­gangs­klas­se
  • Sub­strat- und Pro­dukt­kon­trol­le: fo­to­me­tri­scher En­zym­test: Glu­co­se‑, Etha­nol-Kon­zen­tra­ti­on

Fer­men­ta­ti­ons­ver­laufs­dia­gramm

Ope­ra­to­ren­lis­te

In den Ziel­for­mu­lie­run­gen der Bil­dungs­plan­ein­hei­ten wer­den Ope­ra­to­ren (= hand­lungs­lei­ten­de Ver­ben) ver­wen­det. Die­se Ziel­for­mu­lie­run­gen (Stan­dards) le­gen fest, wel­che An­for­de­run­gen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler in der Re­gel er­fül­len. Zu­sam­men mit der Zu­ord­nung zu ei­nem der drei An­for­de­rungs­be­rei­che (AFB) die­nen Ope­ra­to­ren ei­ner Prä­zi­sie­rung. Dies si­chert das Er­rei­chen des vor­ge­se­he­nen Ni­veaus und die an­ge­mes­se­ne In­ter­pre­ta­ti­on der Stan­dards.

An­for­de­rungs­be­rei­che
An­for­de­rungs­be­reich I um­fasst das Wie­der­ge­ben von Sach­ver­hal­ten aus ei­nem ab­ge­grenz­ten Ge­biet im ge­lern­ten Zu­sam­men­hang, das Be­schrei­ben und An­wen­den ge­lern­ter und ge­üb­ter Ar­beits­tech­ni­ken und Ver­fah­rens­wei­sen in ei­nem wie­der­ho­len­den Zu­sam­men­hang.
An­for­de­rungs­be­reich II um­fasst das selbsts­tän­di­ge Aus­wäh­len, An­ord­nen, Ver­ar­bei­ten und Dar­stel­len be­kann­ter Sach­ver­hal­te un­ter vor­ge­ge­be­nen Ge­sichts­punk­ten in ei­nem durch Übung be­kann­ten Zu­sam­men­hang, das selbsts­tän­di­ge Über­tra­gen des Ge­lern­ten auf ver­gleich­ba­re neue Si­tua­tio­nen mit ve­r­än­der­ten Fra­ge­stel­lun­gen, mit ve­r­än­der­ten Sach­zu­sam­men­hän­gen oder mit ab­ge­wan­del­ten Ver­fah­rens­wei­sen.
An­for­de­rungs­be­reich III um­fasst das plan­mä­ßi­ge Ver­ar­bei­ten kom­ple­xer Ge­ge­ben­hei­ten mit dem Ziel, zu selbsts­tän­di­gen Ge­stal­tun­gen bzw. Deu­tun­gen, Fol­ge­run­gen, Be­grün­dun­gen und Wer­tun­gen zu ge­lan­gen; da­bei wer­den aus den ge­lern­ten Denk­me­tho­den bzw. Lösungs­ver­fah­ren die­je­ni­gen, die zur Be­wäl­ti­gung der Auf­ga­ben ge­eig­net sind, selbsts­tän­dig aus­ge­wählt und ei­ner neu­en Pro­blem­stel­lung an­ge­passt.
(vgl. Ein­heit­li­che Prü­fungs­an­for­de­run­gen in der Ab­itur­prü­fung Bio­tech­no­lo­gie des Mi­nis­te­ri­ums für Kul­tus, Ju­gend und Sport Ba­den-Würt­tem­berg i. d. F. vom 30.11.2003)
Ope­ra­tor De­fi­ni­ti­on Zu­ord­nung
AFB
ab­lei­ten
auf der Grund­la­ge we­sent­li­cher Merk­ma­le sach­ge­rech­te Schlüs­se zie­hen
II, III
ana­ly­sie­ren, un­ter­su­chen
wich­ti­ge Be­stand­tei­le oder Ei­gen­schaf­ten auf ei­ne be­stimm­te Fra­ge­stel­lung hin her­aus­ar­bei­ten. Un­ter­su­chen be­inhal­tet ge­ge­be­nen­falls zu­sätz­lich prak­ti­sche An­tei­le
II, III
an­ge­ben, nen­nen
Ele­men­te, Sach­ver­hal­te, Be­grif­fe, Da­ten oh­ne Er­läu­te­run­gen auf­zäh­len
I
aus­wer­ten
Da­ten, Ein­zel­er­geb­nis­se oder an­de­re Ele­men­te in ei­nen Zu­sam­men­hang stel­len und ge­ge­be­nen­falls zu ei­ner Ge­samt­aus­sa­ge zu­sam­men­füh­ren
II
be­grün­den
Sach­ver­hal­te auf Re­geln und Ge­setz­mä­ßig­kei­ten bzw. kau­sa­le Be­zie­hun­gen von Ur­sa­chen und Wir­kung zu­rück­füh­ren
II, III
be­schrei­ben
Struk­tu­ren, Sach­ver­hal­te oder Zu­sam­men­hän­ge struk­tu­riert und fach­sprach­lich rich­tig mit ei­ge­nen Wor­ten wie­der­ge­ben
I, II
be­ur­tei­len
zu ei­nem Sach­ver­halt ein selbst­stän­di­ges Ur­teil un­ter Ver­wen­dung von Fach­wis­sen und Fach­me­tho­den for­mu­lie­ren und be­grün­den
III
be­wer­ten
ei­nen Ge­gen­stand an er­kenn­ba­ren Wert­ka­te­go­ri­en oder an be­kann­ten Be­ur­tei­lungs­kri­te­ri­en mes­sen
III
dar­stel­len
Sach­ver­hal­te, Zu­sam­men­hän­ge, Me­tho­den etc. struk­tu­riert und ge­ge­be­nen­falls fach­sprach­lich wie­der­ge­ben
I, II
deu­ten, in­ter­pre­tie­ren
fach­spe­zi­fi­sche Zu­sam­men­hän­ge in Hin­blick auf ei­ne ge­ge­be­ne Fra­ge­stel­lung be­grün­det dar­stel­len
II, III
dis­ku­tie­ren, er­ör­tern
Ar­gu­men­te und Bei­spiel zu ei­ner Aus­sa­ge oder The­se ein­an­der ge­gen­über­stel­len und ab­wä­gen
III
er­klä­ren
ei­nen Sach­ver­halt auf Re­geln und Ge­setz­mä­ßig­kei­ten zu­rück­füh­ren so­wie ihn nach­voll­zieh­bar und ver­ständ­lich ma­chen
II, III
er­läu­tern
ei­nen Sach­ver­halt ver­an­schau­li­chend dar­stel­len und durch zu­sätz­li­che In­for­ma­tio­nen ver­ständ­lich ma­chen
II, III
er­mit­teln
ei­nen Zu­sam­men­hang oder ei­ne Lö­sung fin­den und das Er­geb­nis for­mu­lie­ren
II, III
Hy­po­the­se auf­stel­len, Hy­po­the­se ent­wi­ckeln
be­grün­de­te Ver­mu­tung auf der Grund­la­ge von Be­ob­ach­tun­gen, Un­ter­su­chun­gen, Ex­pe­ri­men­ten oder Aus­sa­gen for­mu­lie­ren
III
pro­to­kol­lie­ren
Be­ob­ach­tun­gen oder die Durch­füh­rung von Ex­pe­ri­men­ten de­tail­ge­nau zeich­ne­risch ein­wand­frei bzw. fach­sprach­lich rich­tig wie­der­ge­ben
I
prü­fen, über­prü­fen
Sach­ver­hal­te oder Aus­sa­gen an Fak­ten oder in­ne­rer Lo­gik mes­sen und even­tu­el­le Wi­der­sprü­che auf­de­cken
II, III
skiz­zie­ren
Sach­ver­hal­te, Struk­tu­ren oder Er­geb­nis­se auf das We­sent­li­che re­du­ziert über­sicht­lich gra­fisch dar­stel­len
I, II
Stel­lung neh­men
zu ei­nem Ge­gen­stand, der an sich nicht ein­deu­tig ist, nach kri­ti­scher Prü­fung und sorg­fäl­ti­ger Ab­wä­gung ein be­grün­de­tes Ur­teil ab­ge­ben
III
ver­glei­chen
Ge­mein­sam­kei­ten, Ähn­lich­kei­ten und Un­ter­schie­de er­mit­teln
II
zeich­nen
ei­ne mög­lichst ex­ak­te gra­fi­sche Dar­stel­lung be­ob­acht­ba­rer oder ge­ge­be­ner Struk­tu­ren an­fer­ti­gen
I
zu­sam­men­fas­sen
das We­sent­li­che in kon­zen­trier­ter Form her­aus­stel­len
II
vgl. Ein­heit­li­che Prü­fungs­an­for­de­run­gen in der Ab­itur­prü­fung Bio­lo­gie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004

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