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Berufliche Schulen

Bildungsplanarbeit für die Beruflichen Gymnasien 2021

Biotechnologie

Eingangsklasse, Jahrgangsstufen 1 und 2

Vorbemerkungen

Fachbezogene Vorbemerkungen

1. Fachspezifischer Bildungsauftrag (Bildungswert des Faches)
Die Biotechnologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft mit großer ökonomischer, ökologischer und gesellschaftspolitischer Bedeutung. Neben den klassischen Feldern der Biotechnologie, Produktion, Konservierung und Veredelung von Lebensmitteln gewinnen die modernen Anwendungsgebiete zunehmend an Bedeutung. Dazu gehören z. B. die industrielle Herstellung verschiedenster organischer Substanzen unter Verwendung von Biokatalysatoren, die Bereitstellung von Stoffen und Verfahren zur Therapie und Diagnose von Erkrankungen, umwelttechnische Verfahren zur Abwasseraufbereitung und Erschließung alternativer Energiequellen sowie die Erzeugung neuer Lebensmittel zur Sicherstellung der Ernährung der wachsenden Weltbevölkerung. Molekulares Design, die genetische Veränderung und Reproduktion von Zellen, Organen und Organismen sind aktuelle Forschungsfelder der Biotechnologie mit revolutionärem Charakter. Diese Erkenntnisse bergen ungeahnte Chancen, aber auch Risiken sowohl für das Individuum als auch für die Gesellschaft.
Zur Lösung der globalen Probleme wie z. B. Klimawandel und Ressourcenrückgewinnung sowie der Versorgung der Weltbevölkerung mit Nahrung, medizinischer Hilfe und Energie muss und wird die Biotechnologie in den kommenden Jahren einen maßgeblichen Beitrag leisten.
Der Anspruch des Fachs Biotechnologie ist es daher, neben den klassischen Prozessen auch neue Entwicklungen aufzugreifen und den Schülerinnen und Schülern auf der Basis der Kenntnisse der natürlichen Lebensvorgänge ein tiefreichendes Verständnis der ausgewählten biotechnologischen Vorgänge mit ihren Chancen und Risiken zu ermöglichen.
Aufgrund des interdisziplinären Charakters der Themen im Fach Biotechnologie erhalten die Schülerinnen und Schüler die Chance Inhalte vernetzt zu lernen, zu denken und zu reflektieren, um komplexe Systeme zu analysieren, zu bewerten und in der Gesellschaft zu kommunizieren.
Die Themen des Bildungsplanes ermöglichen in der Eingangsklasse und in den Jahrgangsstufen eine wissenschaftspropädeutische Unterrichtsgestaltung. Aufgrund der technischen Komponente der Biotechnologie und der Komplexität der Prozesse und Strukturen ist der Einsatz digitaler Medien und bioinformatischer Programme unerlässlich. Themenzentriertes, forschend-entdeckendes Lernen an exemplarischen Fragestellungen in Laborübungen ermöglicht den Schülerinnen und Schülern eine gute Vorbereitung auf Studium und Berufswelt. Insgesamt bietet das Profilfach in Kombination mit geeigneten Ergänzungsfächern eine fundierte naturwissenschaftliche und bioethische Grundbildung.

2. Fachliche Aussagen zum Kompetenzerwerb, prozessbezogene Kompetenzen
Die kompetenzorientierte Gestaltung des Unterrichts im Fach Biotechnologie legt die Grundlagen für das Verständnis und die Interpretation wissenschaftlicher Erkenntnisse und damit für die Studierfähigkeit sowie für die aktive Teilnahme der Schülerinnen und Schüler an gesellschaftlichen und wissenschaftlichen Diskussionen auf der Basis fundierter inhalts- und prozessbezogener Kompetenzen.

Inhaltsbezogene Kompetenzen
Die inhaltsbezogenen Kompetenzen orientieren sich in diesem Fach an aktuellen gesellschaftsrelevanten biologischen/biotechnologischen Fragestellungen und umfassen Fachwissen zu den Themenkomplexen „Zytologie“, „Proteine und Enzyme“, „Aufbau, Weitergabe und Realisierung der Erbinformation“ sowie „Gentechnik in der pharmakologischen Produktion“, „Medizinische Forschung, Diagnostik und Therapie“, „Informationsweitergabe und ‑verarbeitung zwischen und in Zellen, Entstehung von Krebs“ sowie der „zelluläre Stoffwechsel und dessen Anwendung zur Herstellung biotechnologischer Produkte in Bioreaktoren, deren Reinigung und Gewinnung“. Projektvorschläge aus den Bereichen Medizin, Umweltbiotechnologie, Pflanzenzucht und Bioinformatik ergänzen das inhaltliche Spektrum des Faches.
Bei der Erarbeitung der fachlichen Inhalte und Zusammenhänge stehen das exemplarische Lernen an geeigneten Beispielen sowie die Verknüpfung der einzelnen Inhalte mit den biologischen Prinzipien im Vordergrund.

Prozessbezogene Kompetenzen
Die prozessbezogenen Kompetenzen werden durch eine entsprechende fachdidaktische Gestaltung des Unterrichts anhand der fachlichen Inhalte gemeinsam mit den inhaltsbezogenen Kompetenzen vermittelt.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Erkenntnisgewinnung und Fachmethodik“ setzen sich die Schülerinnen und Schüler mit biologischen und biotechnologischen Fragestellungen auseinander. Sie werfen aus geeigneten Beobachtungen zielführende Fragestellungen auf und erstellen Hypothesen auf der Basis ihrer Vorkenntnisse. Die Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten zur Klärung biologischer Fragestellungen und Prüfung von Hypothesen wird von den Schülerinnen und Schülern zunehmend selbstständig geleistet. Den Schülerinnen und Schülern wird die Notwendigkeit zur Auswahl und Verwendung geeigneter Modellorganismen, Zell- oder Gewebekulturen zur Erforschung biologischer Sachverhalte bewusst. Zur Erklärung biologischer Sachverhalte, Prozesse und Wechselwirkungen verwenden, entwickeln und modifizieren die Schülerinnen und Schüler Struktur- und Funktionsmodelle. Sie beschreiben dabei auch den Zusammenhang zwischen Modell und Realität und beurteilen Aussagekraft und Grenzen von Modellen.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Fachkommunikation“ beschaffen die Schülerinnen und Schüler Informationen zu biologischen Fragestellungen aus verschiedenen Quellen, werten diese aus und bereiten sie adressatengerecht auf. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei vertrauenswürdige und seriöse Quellen in verschiedenen analogen und digitalen Medien anhand geeigneter Kriterien zu recherchieren und zu erkennen.
Die Informationen werden von den Schülerinnen und Schülern aus Experimentalergebnissen, Texten, Bildern, Tabellen, Diagrammen und Grafiken entnommen. Biologische Sachverhalte können von den Schülerinnen und Schülern unter Verwendung der Fachsprache beschrieben und erklärt sowie in einen Zusammenhang mit Alltagssituationen und gesellschaftlich relevanten Fragestellungen gebracht werden. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, Verlauf und Ergebnisse ihrer Arbeit nachvollziehbar in Form von Protokollen und Postern zu dokumentieren sowie komplexe biologische und biotechnologische Sachverhalte mithilfe von Texten, Skizzen, Grafiken, Modellen und Diagrammen anschaulich darzustellen. Die Schülerinnen und Schüler tauschen die erworbenen Informationen aus, indem sie ihre Arbeitsergebnisse adressatengerecht präsentieren und dabei ihre Standpunkte zu biologischen Sachverhalten fachlich begründet vertreten sowie fachlich begründete abweichende Standpunkte wahrnehmen und respektieren.
Die Arbeit im Team hat bei der Gewinnung und Aufbereitung von Informationen einen hohen Stellenwert. Die Schülerinnen und Schüler lernen dabei Verantwortung zu übernehmen, gemeinsam zu planen, zu strukturieren und zu reflektieren. Grundsätze und Werkzeuge des Projektmanagements können dazu zielführend ausgewählt und eingesetzt werden.
Im Rahmen des Kompetenzbereiches „Bewertung und Reflexion“ bewerten die Schülerinnen und Schüler biologische Modellvorstellungen und biotechnologische Anwendungen hinsichtlich Logik und Vollständigkeit. Sie analysieren ihre eigenen Versuchsergebnisse kritisch und vergleichen diese mit Ergebnissen aus der Literatur.
Die Schülerinnen und Schüler erkennen bei verschiedenen biologischen und biotechnologischen Themen deren gesellschaftliche Relevanz. Ihr Fachwissen ermöglicht ihnen eine Betrachtung der Problemstellungen aus verschiedenen Perspektiven und befähigt sie, unterschiedliche Standpunkte zu begründen und zu bewerten.
Die Schülerinnen und Schüler können biologische Sachverhalte einordnen, indem sie Bezüge zwischen biologischen Inhalten und den Inhalten anderer Wissenschaften herstellen, Aussagen, Darstellungen und Lösungsstrategien zu naturwissenschaftlichen Problemen in Medien kritisch prüfen und bewerten sowie naturwissenschaftliche und ethische Argumente und Aussagen voneinander unterscheiden.
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und bewerten die Folgen der Anwendung biologischer und biotechnologischer Forschungsergebnisse sowie ihrer eigenen Lebensführung aus verschiedenen Perspektiven anhand geeigneter Beispiele unter den Aspekten der nachhaltigen Entwicklung, der Würde des Menschen, der Verantwortung für die Natur und für Ökosysteme sowie ihrer eigenen Gesundheit. (vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biologie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004)

Hinweise zum Umgang mit dem Bildungsplan
Der Bildungsplan zeichnet sich durch eine Inhalts- und eine Kompetenzorientierung aus. In jeder Bildungsplaneinheit (BPE) werden in kursiver Schrift die übergeordneten Ziele beschrieben, die durch Zielformulierungen sowie Inhalts- und Hinweisspalte konkretisiert werden. In den Zielformulierungen werden die jeweiligen fachspezifischen Operatoren als Verben verwendet. Operatoren sind handlungsinitiierende Verben, die signalisieren, welche Tätigkeiten beim Bearbeiten von Aufgaben erwartet werden. Die für das jeweilige Fach relevanten Operatoren sowie deren fachspezifische Bedeutung sind jedem Bildungsplan im Anhang beigefügt. Durch die kompetenzorientierte Zielformulierung mittels dieser Operatoren wird das Anforderungsniveau bezüglich der Inhalte und der zu erwerbenden Kompetenzen definiert. Die formulierten Ziele und Inhalte sind verbindlich und damit prüfungsrelevant. Sie stellen die Regelanforderungen im jeweiligen Fach dar. Die Inhalte der Hinweisspalte sind unverbindliche Ergänzungen zur Inhaltsspalte und umfassen Beispiele, didaktische Hinweise und Querverweise auf andere Fächer bzw. BPE.
Der VIP-Bereich des Bildungsplans umfasst die Vertiefung, individualisiertes Lernen sowie Projektunterricht. Im Rahmen der hier zur Verfügung stehenden Stunden sollen die Schülerinnen und Schüler bestmöglich unterstützt und bei der Weiterentwicklung ihrer personalen und fachlichen Kompetenzen gefördert werden. Die Fachlehrerinnen und Fachlehrer nutzen diese Unterrichtszeit nach eigenen Schwerpunktsetzungen auf Basis der fächerspezifischen Besonderheiten und nach den Lernvoraussetzungen der einzelnen Schülerinnen und Schüler.
Der Teil „Zeit für Leistungsfeststellung“ des Bildungsplans berücksichtigt die Zeit, die zur Vorbereitung, Durchführung und Nachbereitung von Leistungsfeststellungen zur Verfügung steht. Dies kann auch die notwendige Zeit für die gleichwertige Feststellung von Schülerleistungen (GFS), Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.
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

Zeit für Leistungsfeststellung

30

210 (40)

240 (40)

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

Zeit für Leistungsfeststellung

30

210 (40)

240 (40)

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

Zeit für Leistungsfeststellung

30

168 (32)

192 (32)

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


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

Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg

Stuttgart, 23. Juli 2020
Lehrplanheft 2/2020
Bildungsplan für das Berufliche Gymnasium;
hier:
Berufliches Gymnasium der dreijährigen Aufbauform
Vom 23. Juli 2020
44 – 6512.- 240/211

I.

II.

Für das Berufliche Gymnasium gilt der als Anlage beigefügte Bildungsplan.
Der Bildungsplan tritt
für die Eingangsklasse am 1. August 2021
für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2022
für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2023
in Kraft.

Im Zeitpunkt des jeweiligen Inkrafttretens tritt der im Lehrplanheft 2/2007 veröffentlichte Lehrplan in diesem Fach vom 03. September 2007 (Az. 45-6512-240/109) außer Kraft.

Biotechnologie
Berufliches Gymnasium der dreijährigen Aufbauform
K.u.U., LPH Nr. 2/2020 Reihe I Nr. 40
Band 2 vom 23.07.2020

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