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Chemie und Biochemie

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Vorbemerkungen

Fachliche Vorbemerkungen

Schuljahr 1: Teil Chemie
Die Naturwissenschaft Chemie liefert einen wesentlichen Beitrag zur Beantwortung der Frage, „was die Welt im Innersten zusammenhält“. Sie prägt durch ihre naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweise, durch Erkenntnisse und die daraus resultierenden Anwendungen grundlegend unsere moderne Gesellschaft und kulturelle „Identität“. Darüber hinaus ist die Chemie für die ökologische und ökonomische Entwicklung unserer Gesellschaft von besonderer Bedeutung.
Kennzeichnend für den Chemieunterricht ist die Beschreibung der stofflichen Welt. Die Betrachtung von Stoff und Stoffumwandlungen – sowohl auf der Stoff- als auch auf der Teilchenebene sowie die Verknüpfung beider Ebenen zur Erklärung von Phänomenen und Sachverhalten – ist von zentraler Bedeutung. Dazu nutzt die Chemie Experimente und Modelle, welche die Struktur und den Ablauf von Stoffumwandlungen veranschaulichen. Ferner werden die mit den Stoffumwandlungen einhergehenden Energieumsätze charakterisiert.
Im Chemieunterricht erwerben die Schülerinnen und Schüler Grundlagenwissen in allgemeiner, anorganischer und organischer Chemie. Ergänzend zur Laborarbeit beobachten und beschreiben die Schülerinnen und Schüler Phänomene, bilden und überprüfen Hypothesen, erfassen und interpretieren Daten. Darüber hinaus wird ihnen bewusst, dass biologische Vorgänge auf physikalisch-chemische Gesetzmäßigkeiten zurückzuführen sind. Die Verwendung einer korrekten Fachsprache und das kriterien- und theoriengeleitete Argumentieren und Strukturieren fachwissenschaftlicher Erkenntnisse ist in allen Bildungsplaneinheiten von zentraler Bedeutung.

Schuljahr 2: Teil Biochemie
Die Biochemie ist eine interdisziplinäre naturwissenschaftliche Teildisziplin mit Bezug zu vielfältigen Aufgaben- und Arbeitsfeldern wie biologische und medizinische Forschung, Entwicklung, Produktion und Qualitätskontrolle. Aufgrund dieses interdisziplinären Charakters erhalten die Schülerinnen und Schüler die Chance, Inhalte vernetzt zu lernen. Vor dem Hintergrund des enormen Kenntniszuwachses (z. B. Human Proteom Project) kommt dem Fach Biochemie ein großer Stellenwert zu, der sich auch in dem hohen Stundenanteil im Rahmen der Ausbildung widerspiegelt. Die fachspezifischen Unterrichtsinhalte beinhalten chemische, biologische und medizinische Themengebiete und Arbeitstechniken und sind als Grundlage für die Ausübung biologisch technischer Berufe von besonderer Bedeutung.
Im Unterricht erwerben die Schülerinnen und Schüler Kenntnisse über die Struktur wichtiger Makromoleküle und deren Funktion im Stoffwechsel. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dem Thema Proteinbiochemie. Inhalte bilden hierbei der chemische Aufbau und das chemische Verhalten von Aminosäuren, Peptiden und Proteinen. Der Aufbau und die Funktion von Enzymen, die Enzymkinetik und Enzymhemmung an ausgewählten Beispielen stellen weitere inhaltliche Schwerpunkte dar. Darüber hinaus lernen die Schülerinnen und Schüler die theoretischen Grundlagen aktueller und berufsrelevanter biochemischer Arbeitstechniken zur Isolation, Aufreinigung, Charakterisierung und Quantifizierung von Proteinen. Im Vordergrund steht hierbei auch, die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, je nach Problemstellung kritisch bei der Methodenwahl vorzugehen. Grenzen und Genauigkeiten von Methoden werden bei der Besprechung methodischer Inhalte kritisch dargestellt. Vertiefte Kenntnisse der Theorie ermöglichen es den Schülerinnen und Schülern, Fehler bei der Durchführung von Laborversuchen zu vermeiden, um später dazu befähigt zu sein, exakte wissenschaftliche Experimentierarbeit zu leisten.
Neben den Inhalten soll auch der adäquate Umgang mit der Fachsprache eingeübt werden. Durch englischsprachige Medien wird die berufsrelevante Bedeutung der englischen Sprache hervorgehoben. Hierbei wird ebenfalls eine Verknüpfung zum Fach Englisch hergestellt. Das Fach „Chemie und Biochemie“ steht ferner in Beziehung zum Fach „Mathematik I“, da viele chemischen und biochemischen Sachverhalte mathematisch beschrieben und quantitativ erfasst werden.
In beiden Schuljahren ermöglicht der Einsatz digitaler Medien einen vertieften Einblick vor allem in zeitgemäße Formen der Informationsbeschaffung und Dokumentation.
Einen wesentlichen Teil der theoretischen Biochemie-Inhalte wenden die Schülerinnen und Schüler im „Chemischen und biochemischen Praktikum“ an. Deshalb stehen die Unterrichtsinhalte in enger Korrelation zu diesem Fach und werden sehr praxisorientiert vermittelt.
Die Heterogenität bezüglich naturwissenschaftlicher Vorkenntnisse der Schülerinnen und Schüler aufgrund ihrer schulischen Vorbildung (mittlerer Bildungsabschluss, Fachhochschulreife, Abitur) macht individuelle Förderung durch Wiederholung und Vertiefung von Inhalten des Schuljahres 1 erforderlich.
Die kompetenzorientierte Gestaltung des Unterrichts im Fach Biochemie legt die Grundlage für das Verständnis und die Interpretation wissenschaftlicher Erkenntnisse und damit für den erfolgreichen Eintritt in das Berufsleben.
Dieser Bildungsplan wurde verfasst unter Berücksichtigung des Katalogs der Qualifikationsbeschreibungen gemäß Rahmenvereinbarung über die Ausbildung und Prüfung zum/zur Staatlich geprüften technischen Assistenten/in: Beschluss der KMK vom 30.09.2011 in der jeweils gültigen Fassung.

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 in jeweils einer 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; eine Operatorenliste ist 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 fächer- und bildungsgangspezifischen Besonderheiten sowie 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 im Rahmen der Besonderen Lernleistungen erbrachten Leistungen, Nachbesprechung zu Leistungsfeststellungen sowie Feedback-Gespräche umfassen.

Bildungsplanübersicht

Schuljahr

Bildungsplaneinheiten

Zeitricht-wert

Gesamt-stunden

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

1	Stoff-Teilchen-Prinzip

2	Chemische Reaktion: stoffliche und energetische Zusammenhänge

3	Chemische Bindung und zwischenmolekulare Wechselwirkungen

4	Chemische Reaktion: Kinetik und Gleichgewicht

5	Die Stoffklasse der Säuren und Basen

6	Redoxreaktionen

7	Aufbau und Eigenschaften organischer Stoffe

140

Zeit für Leistungsfeststellung

160

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

8	Struktur und Funktion von Aminosäuren und Proteinen

9	Struktur und Funktion von Enzymen

10	Bedeutung und Ansetzen von Puffern

11	Ausgewählte Methoden der Biochemie

105

Zeit für Leistungsfeststellung

120

Schuljahr 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Automobilkatalysator Trennverfahren: Dünnschichtchromatografie, Gaschromatografie, HPLC Analysemethoden: Massenspektrometrie, Fluorometrie

Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1	Stoff-Teilchen-Prinzip	10
Die Schülerinnen und Schüler nutzen Fachbegriffe zur Beschreibung von Stoffen und deren Eigenschaften. Dabei unterscheiden sie konsequent zwischen der Stoff- und der Teilchenebene. Sie nennen und diskutieren mithilfe des Periodensystems Eigenschaften von Elementen.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären Stoffeigenschaften und Phänomene mit dem Teilchenmodell. Sie wenden in diesem Zusammenhang zahlreiche physikalische und chemische Fachbegriffe an.

Anschauungsmodelle und Symbolschreibweise in der Chemie
Summenformel Teilchenmodell
Stoffe und Stoffeigenschaften	Einteilung der Stoffe physikalische versus chemische Eigenschaften
Reinstoffe	Element, Verbindung
homogene und heterogene Gemische	Fachbegriffe: z. B. Emulsion, Aerosol, Lösung
Physikalische Trennmethoden	z. B. Extraktion, Destillation

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau der Atome mithilfe von Modellen und diskutieren deren Nutzen und Grenzen.

Rutherford'scher Streuversuch	historische Entwicklung der Atommodelle, Kern-Hülle Modell
Schalenmodell	Elektronenkonfiguration, Linienspektren

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären den Aufbau des Periodensystems der Elemente (PSE). Sie nennen und begründen die Eigenschaften von Elementen aufgrund deren Stellung im PSE.

Aufbau des PSEs
Perioden Hauptgruppen und deren typisches Reaktionsverhalten Bedeutung der Nebengruppenelemente	Vorkommen und Bedeutung einzelner Elemente
Massenzahl, Ordnungszahl, Isotope	C-14-Methode, Isotopenmarkierung
Tendenzen im PSE
Atomradien Ionisierungsenergie Elektronenaffinität

BPE 2	Chemische Reaktion: stoffliche und energetische Zusammenhänge	6
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass mit einer chemischen Reaktion stoffliche und energetische Umsätze verbunden sind. Sie erfassen die Stoff- und Energieumsätze qualitativ.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen Reaktionsgleichungen auf. Sie ermitteln die Koeffizienten der Edukte und Produkte in verschiedensten Reaktionen.

Reaktionsgleichungen	vgl. „Mathematik I“ (BPE 1.1)
Bedeutung der Summenformel Regeln für das Aufstellen von Reaktionsgleichungen

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den energetischen Verlauf chemischer Reaktionen anhand von Energie-Reaktionsweg-Diagrammen.

Exotherme und endotherme Reaktionen
Energie-Reaktionsweg-Diagramme
Reaktionsenergie Aktivierungsenergie	Enthalpie
Katalyse	z. B. Autokatalyse, homogene und heterogene Katalyse, Enzyme
Einfluss eines Katalysators auf die Aktivierungsenergie

BPE 3	Chemische Bindung und zwischenmolekulare Wechselwirkungen	28
Die Schülerinnen und Schüler lernen verschiedene Bindungstypen kennen und verstehen, dass hierbei der Elektronegativitätsdifferenz der beteiligten Elemente eine bedeutende Rolle zukommt. Ferner kennen sie den Unterschied zwischen echter chemischer Bindung und zwischenmolekularen Wechselwirkungen. Sie leiten aus beiden Interaktionen Eigenschaften unterschiedlicher Stoffklassen begründet ab.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären das Zustandekommen der Elektronenpaarbindung. Sie begründen die Struktur der resultierenden Moleküle und deren Eigenschaften.

Unpolare Atombindung	Wasserstoff, Halogene Mehrfachbindungen: Sauerstoff, Stickstoff
Edelgaskonfiguration Oktettregel Valenzstrichformel (Lewis-Schreibweise)
Polare Atombindung	Halogenwasserstoffe, Wasser, Ammoniak
Begriff der Elektronegativität	Tendenz im Periodensystem der Elemente
Partialladung permanenter Dipol
Räumlicher Aufbau einfacher Moleküle	Elektronenpaar als Elektronenwolke
Elektronenpaarabstoßungsmodell	Molekülgeometrie ausgehend vom Tetraeder (bis zu vier Elektronenpaaren)

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Ionenbildung und Ionenbindung und deuten die verschiedenen Eigenschaften der Salze durch ihren Aufbau.

Ionenbindung
Elektronegativitätsdifferenz Ionenbildung, Anion, Kation Verhältnisformel Nomenklatur von Metallhalogeniden und ‑oxiden
Ionengitter
elektrostatische Anziehungskräfte	Abhängigkeit von Ionenladung und ‑radius
Gitterenergie
Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Salzen
Schmelztemperaturen elektrische Leitfähigkeit Sprödigkeit
Löseverhalten und Hydratationsenergie	Energiediagramm zur Lösungsenergie

BPE 3.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Metallbindung und erläutern die verschiedenen Eigenschaften der Metalle.

Metallgitter, Elektronengasmodell	Grenzen des Modells
Struktur-Eigenschaftsbeziehung von Metallen	z. B. hohe Schmelzpunkte, metallischer Glanz
elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Verformbarkeit

BPE 3.4

Die Schülerinnen und Schüler erklären das Zustandekommen zwischenmolekularer Wechselwirkungen. Sie zeigen auf, inwieweit diese direkt mit den physikalischen Eigenschaften eines Stoffes in Zusammenhang stehen.

Dipol-Dipol-Wechselwirkungen	Ladungsschwerpunkte, Molekülgeometrie vgl. BPE 3.1
permanente Dipole	HCl, CHCl₃
Wasserstoffbrücken	H₂O, NH₃, C₂H₅OH
Eigenschaften von Dipolmolekülen	Löslichkeit, Viskosität
Siede- und Schmelztemperatur
Eigenschaften von Stoffen bestehend aus Molekülen mit polaren Bindungen	Abgrenzung polare Bindung, polares Molekül CCl₄, CO₂, SO₃
Van-der-Waals-Wechselwirkungen	temporäre, induzierte Dipole
Entstehung Vorkommen Bedeutung

BPE 4	Chemische Reaktion: Kinetik und Gleichgewicht	10
Die Schülerinnen und Schüler erkennen den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit und auf die Lage des Gleichgewichts. Sie erfassen den Begriff „Dynamisches Gleichgewicht“.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler entwerfen für eine nicht vollständig verlaufende Reaktion ein Konzentrations-Zeit-Diagramm und erläutern den Einfluss verschiedener Faktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Konzentrations-Zeit-Diagramm	Abnahme der Edukte, Zunahme der Produkte, am selbst gewählten Beispiel
Reaktionsgeschwindigkeit
Einfluss verschiedener Faktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit
Temperatur Konzentration Zerteilungsgrad

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Einstellung des chemischen Gleichgewichts mit der Angleichung der Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin-und Rückreaktion.

Von der Geschwindigkeitskonstante zur Gleichgewichtskonstante	Einfluss eines Katalysators auf die Lage des Gleichgewichts
Konzentrations-Zeit-Diagramme je nach Lage des Gleichgewichts	qualitativ
Gleichgewichtskonstante	qualitativ
Massenwirkungsgesetz	keine numerischen Rechnungen

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler wenden das Prinzip von Le Chatelier auf unterschiedliche Gleichgewichtreaktionen mit unterschiedlicher Zielsetzung an.

Möglichkeiten der Einflussnahme auf die Lage des Gleichgewichts (Prinzip von Le Chatelier)	z. B. Ammoniaksynthese, Bildung von farbigen Komplexen, vollständige Verbrennung von Stoffen
Temperaturänderung Konzentrationsänderung
Druckänderung	druckabhängige, druckunabhängige Systeme

BPE 5	Die Stoffklasse der Säuren und Basen	22
Die Schülerinnen und Schüler lernen die Stoffklasse der Säuren und Basen kennen und wenden das Donator-Akzeptor-Prinzip auf chemische Reaktionen mit Protonenübergängen an.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben allgemeine Eigenschaften von Säuren und Basen und erläutern die Synthese von sauerstoffhaltigen Säuren und Hydroxiden.

Allgemeine Eigenschaften und Darstellung von Säuren und Basen
Halogenwasserstoffsäuren am Beispiel der Salzsäure	„Springbrunnen-Versuch“
sauerstoffhaltige anorganische Säuren am Beispiel der Schwefelsäure, Phosphorsäure, Kohlensäure	Darstellung von Säuren aus Nichtmetalloxiden
Stoffklasse der Hydroxide am Beispiel von Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Calciumhydroxid	Darstellung von Laugen aus Metalloxiden, Reaktion von Natrium mit Wasser
Universalindikator als Nachweis von einem Überschuss an Oxonium- bzw. Hydroxid-Ionen	pH-Wert qualitativ
Typische Reaktionen von Säuren
mit Wasser	Protolyse
mit unedlen Metallen	z. B. Zink und Salzsäure
Auflösen von Kesselstein	Stabilität der Kohlensäure

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Protonenübergänge mithilfe des Donator-Akzeptor-Prinzips. An Beispielen bestätigen sie das Konzept der korrespondierenden Säure-Base-Paare.

Säure-Base-Theorie nach Brönsted
Protolysegleichgewicht	z. B. Schwefelsäure, Essigsäure, Ammoniak mehrprotonige Säuren
pK_S und pK_B-Werte als Maß für die Stärke einer Säure bzw. Base
Korrespondierende Säure-Base-Paare
Ampholyte
Autoprotolyse des Wassers, K_W-Wert
pK_W, pH‑, pOH-Wert
pH-Wert-Berechnung einfacher starker und schwacher Säuren und Basen
Zweikomponenten-Puffersysteme	vgl. „Mathematik I“ (BPE 1.4)
Essigsäure-Acetat-Puffer Dihydrogenphosphat-Hydrogenphosphat-Puffer

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schüler formulieren die Neutralisation als Reaktion zwischen Säuren und Basen und benennen die entstehenden Salze. Sie benennen die charakteristischen Punkte einer Titrationskurve, berechnen die entsprechenden pH-Werte und schätzen damit den Kurvenverlauf ab.

Salzsäure-Natronlauge-Titration Endpunktanzeige mit Indikator bzw. Leitfähigkeitsmessung	vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 3.2)
Neutralisationsreaktionen
Titrationskurven starker und schwacher Säuren
Berechnung der pH-Werte am
Startpunkt Pufferpunkt/Halbäquivalenzpunkt Äquivalenzpunkt Endpunkt
Titrationskurve von Phosphorsäure

BPE 6	Redoxreaktionen	10
Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Elektronenübergänge anhand des Donator-Akzeptor-Prinzips.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler stellen mithilfe von Oxidationszahlen Reaktionsgleichungen auf und bestätigen damit das Prinzip einer Redoxreaktion.

Konzept der Oxidationszahlen
Zerlegung einer Redoxreaktion in Teilgleichungen	einfache Redoxreaktionen in sauren und alkalischen Lösungen vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 3.2)
Oxidationszahlen von Atomen in organischen Verbindungen	z. B. Ethansäure, Methanol, Methan
Sauerstoffaufnahme als Oxidation Wasserstoffabgabe als Reduktion

BPE 7	Aufbau und Eigenschaften organischer Stoffe	14
Die Schülerinnen und Schüler wenden das Struktur-Eigenschaftsprinzip auf gesättigte Kohlenwasserstoffe an, d. h., sie leiten aus dem Aufbau der Moleküle Eigenschaften der entsprechenden Stoffe ab.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Stoffeigenschaften und deren Änderung innerhalb der homologen Reihe der Alkane.

Struktur und Nomenklatur einfacher Alkane	z. B. aus den Praktika bereits bekannte Verbindungen
Konstitutionsisomerie
Struktur-Eigenschaftsbeziehung
Schmelz- und Siedetemperatur Löslichkeit Viskosität
vollständige Verbrennung

BPE 7.2.

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Stoffeigenschaften der Alkanole und begründen deren Änderung innerhalb der homologen Reihe und in Beziehung zur funktionellen Gruppe.

Struktur und Nomenklatur einwertiger und mehrwertiger Alkanole
Hydroxygruppe als funktionelle Gruppe primärer, sekundärer und tertiärer Alkanole
Struktur-Eigenschaftsbeziehung
Schmelz- und Siedetemperatur Löslichkeit Viskosität
Oxidationsprodukte der Alkanole
Alkanale Alkanone

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Stoffeigenschaften der Carbonsäuren und ihrer Derivate.

Struktur und Nomenklatur der Carbonsäuren
Carboxygruppe als funktionelle Gruppe
Ausgewählte Carbonsäuren mit mehreren und/oder unterschiedlichen funktionellen Gruppen	Milchsäure, Oxalsäure, Zitronensäure vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 3.2)
Reaktionsverhalten
Bildung von Estern Bildung von Fetten	ohne Mechanismus

Schuljahr 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Analoge und digitale Modelle von Aminosäuren Arbeiten mit Molekülbaukästen Entstehung von Peptidbindungen im Modell Digitale Modelle von Proteinen (Bändermodelle, Kugel-Stab-Modelle) Biotechnologische Herstellung und Eigenschaften von Spinnenseide Isoelektrische Fokussierung Zweidimensionale Elektrophorese Proteomics MALDI-TOF-MS Chromatografische Techniken für Analysen von Umweltparametern Affinitätschromatografie Zentrifugationsmethoden

Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung fächerverbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 8	Struktur und Funktion von Aminosäuren und Proteinen	19
Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Proteine die Vielzahl ihrer Funktionen in Zellen und Organismen auf der Grundlage ihrer Strukturvielfalt ausüben können. Sie begründen, dass strukturelle Vielfalt durch die Art, die Reihenfolge und die Anzahl der Aminosäuren als Proteinbausteine erzielt wird. Sie erkennen, wie die spezifische Raumstruktur eines Proteins und dessen Funktion zusammenhängen und begreifen somit die enge Korrelation zwischen Struktur und Funktion von Biomolekülen.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus bekannten Zellstrukturen und Zellfunktionen grundlegende Funktionen von Proteinen ab. Sie nennen Beispiele von Proteinen und beschreiben deren Funktion in der Zelle und im Organismus.
Auf der Grundlage gemeinsamer Merkmale und Eigenschaften ordnen sie die genannten Proteine Proteinklassen zu.

Proteinklassen
Enzyme	Ligase, Trypsin
Hormone	Insulin, Adrenalin
Nährstoff- und Speicherproteine	Ovalbumin, Casein
Transportproteine	Hämoglobin, Transferrin
Kanalproteine	Porin
Strukturproteine	Keratin, Kollagen
kontraktile Proteine (Motorproteine)	Aktin, Myosin
Proteine der Immunabwehr	Antikörper

BPE 8.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau von Proteinen als Polymere aus Aminosäuren und leiten aus der Funktionsvielfalt Hypothesen zur Strukturvielfalt ab.

Proteinogene Aminosäuren als Bausteine
Kombinatorik, Berechnung	Variationsmöglichkeiten, z. B. 20ⁿ Möglichkeiten für ein Protein aus n Bausteinen

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler analysieren den grundlegenden chemischen Aufbau der proteinogenen Aminosäuren und beschreiben deren Säure-Base-Verhalten.
Sie leiten die Ladung der Aminosäuren bei unterschiedlichen pH-Werten ab.

Allgemeine Struktur proteinogener Aminosäuren in Lewis-Schreibweise
Amphotere Eigenschaften von Aminosäuren	Säure-Base-Eigenschaften allgemein nach Brönsted, vgl. BPE 5.2 Protonenübertragungsreaktionen, Zwitterion, Anion, Kation Pufferwirkung von Aminosäuren
Allgemeine Titrationskurve einer Aminosäure	Titrationskurve und pK_S-Wert von Essigsäure vgl. BPE 5.2 und 5.3 Titrationskurve von Alanin
pK_S-Werte der \(\alpha\)-Aminogruppe, der \(\alpha\)-Carboxygruppe und der Seitenketten	Bedeutung der Ladungszustände für die Proteinstruktur
Isoelektrischer Punkt und daraus resultierende Eigenschaften von Aminosäuren	Fällung am pH-Wert des isolektrischen Punkts als Methode der Aufreinigung

BPE 8.4

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus den Strukturformeln der proteinogenen Aminosäuren Eigenschaften der Seitenketten ab und bestätigen deren daraus resultierende Einteilung in vier Gruppen.
Sie benennen essenzielle Aminosäuren und überprüfen deren Vorkommen in Nahrungsmitteln.

Einteilung der Aminosäuren in vier Gruppen mit
unpolaren Seitenketten
polaren, ungeladenen Seitenketten
basischen Seitenketten
sauren Seitenketten
Nennung von 1 Beispiel pro Gruppe mit Strukturformel in Lewis-Schreibweise
Definition essenzielle Aminosäuren und Nennung von zwei Beispielen	Nahrungsmittel mit essenziellen Aminosäuren, gesundheitliche Folgen von Mangelernährung

BPE 8.5

Die Schülerinnen und Schüler stellen den Aufbau von Proteinen aus Aminosäuremonomeren dar und begründen ihre Raumstruktur mit deren Aminosäuresequenz und den daraus resultierenden chemischen Wechselwirkungen.
Sie erklären die Entstehung der Peptidbindung als Kondensationsreaktion sowie die Spaltung der Peptidbindung als Hydrolysereaktion. Sie erläutern die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen.

Primärstruktur
allgemeine Darstellung der Peptidbindung in Lewis-Schreibweise	Eigenschaft der Peptidbindung, Aminosäuresequenz im IUPAC-Buchstabencode, Ein- und Drei-Buchstabencode
N- und C-Terminus
Kondensation Hydrolyse	Bezug zu physiologischer Bedeutung der beiden Reaktionen bei der Proteinbiosynthese und dem Proteinabbau, Entstehung von Dipeptid, Tripeptid, Oligopeptid, Polypeptid und Protein Peptidhormone, z. B. Insulin, Glucagon, Oxytocin
Sekundärstruktur
\(\alpha\)-Helix \(\beta\)-Faltblatt
Stabilisierung der Sekundärstruktur durch intra- und intermolekulare Wasserstoffbrücken zwischen den Gruppen der Peptidbindung
Sekundärstrukturproteine: fibrilläre Proteine	z. B. \(\alpha\)-Keratin, \(\beta\)-Keratin, Kollagen
Tertiärstruktur: globuläre Proteine mit einer Untereinheit	Aufbau, Struktur und Funktion von z. B. Myoglobin, Häm-Gruppe dynamische Proteine weitere Beispiele: Porine, Lysozym, Cytochrom C, GFP
Quartärstruktur: globuläre Proteine mit mehreren Untereinheiten	Aufbau, Struktur und Funktion von z. B. Hämoglobin kooperativer Effekt Anomalie von Hämoglobin: Sichelzellanämie weitere Beispiele: Aquaporin, Alkoholdehydrogenase, Immunglobuline
Stabilisierung der Tertiär- und Quartärstruktur	vgl. BPE 3.4
Wasserstoffbrücken zwischen den Gruppen der Peptidbindung Wasserstoffbrücken zwischen den Seitenketten ionische Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten Disulfidbindungen zwischen Cystein-Seitenketten

BPE 8.6

Die Schülerinnen und Schüler erklären Ursachen für die Denaturierung von Proteinen und erläutern den Zusammenhang zwischen nativer Raumstruktur und Funktion eines Proteins.

Definition: Denaturierung, Renaturierung
Störung der stabilisierenden Wechselwirkungen von Proteinen Konformationsänderung
Ursachen von reversibler und irreversibler Denaturierung
Hitze	Fieber
pH-Wert-Änderung	Verdauung
Schwermetallionen	Bleivergiftung

BPE 9	Struktur und Funktion von Enzymen	15
Die Schülerinnen und Schüler erkennen die zentrale Rolle von Enzymen als Biokatalysatoren des Stoffwechsels. Sie erfassen somit die zentrale Bedeutung von Enzymen für alle Organismen. Sie erklären die Vielfalt und das Zusammenspiel von Stoffwechselreaktionen auf der Grundlage unterschiedlicher Spezifitäten verschiedener Enzyme. Am Beispiel des Schlüssel-Schloss-Prinzips bzw. des Induced-fit-Modells, der Wechselwirkung komplementärer Strukturen von Enzym und Substrat, vertiefen sie die Erkenntnis über die besondere Bedeutung von Struktur-Funktionsbeziehungen. Darüber hinaus begreifen die Schülerinnen und Schüler, dass Zellen sich durch Enzymregulation an veränderte stoffwechselphysiologische Bedürfnisse anpassen. Sie übertragen diese theoretischen Grundlagen direkt auf die im Fach „Chemisches und biochemisches Praktikum“ durchgeführten berufsrelevanten Arbeitstechniken.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen die Eigenschaften von Katalysatoren bzw. von Biokatalysatoren.
Sie vergleichen katalysierte mit nicht katalysierten Reaktionen anhand von Beispielen aus dem Stoffwechsel.
Sie interpretieren Energie-Reaktionsverlauf-Diagramme, die katalysierte und nicht katalysierte Reaktionsverläufe darstellen.

Definition Biokatalysator
Wirkung in biologischen Systemen Senkung der Aktivierungsenergie Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit unverändertes Hervorgehen aus der Reaktion
Energie-Reaktionsverlauf-Diagramme: Vergleich nicht-katalysierte und katalysierte Reaktion	physiologische Beispiele z. B. Abbau von H₂O₂, Abbau von Saccharose vgl. BPE 2.2
Aktivierungsenergie Übergangszustand freiwerdende Reaktionsenergie

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler ordnen Enzyme der Molekülgruppe Proteine zu.
Sie erklären die speziellen Strukturmerkmale von Enzymen im Zusammenhang mit Spezifität und katalytischer Aktivität.

Struktur von Enzymen
globulär	vgl. BPE 8.5
Tertiärstruktur	Zentralatom, z. B. Mn²⁺
Quartärstruktur
aktives Zentrum mit Substratbindestelle und katalytisch aktiver Stelle
allosterische Stelle	Aktivatoren, Inhibitoren

BPE 9.3

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

Schlüssel-Schloss-Prinzip
Induced-fit-Modell
Enzym-Substrat-Komplex
Substratspezifität
Spezifität für ein Substrat	z. B. Urease (Harnstoff, Thioharnstoff)
Gruppenspezifität: Alkoholdehydrogenase	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3)

BPE 9.4

Die Schülerinnen und Schüler leiten aus Modellversuchen optimale Reaktionsbedingungen für die enzymatische Katalyse ab. Sie begründen die spezifische Enzymaktivität als Maß für die enzymatische Katalyse unter optimalen Reaktionsbedingungen.
Sie berechnen aus vorgegebenen Parametern die spezifische Enzymaktivität.

Temperatur-Optimum	vgl. BPE 8.6 Diagramm: Temperatur-Optimumskurve thermophile Bakterien
pH-Wert-Optimum	vgl. BPE 8.6 z. B. alkalische Phosphatase praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3) z. B. Diagramme: pH-Optimums-Kurven von Trypsin, Pepsin, Amylase
Cofaktoren	Holoenzym, Apoenzym
Metallionen	z. B. Mg²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺
prosthetische Gruppe	z. B. Häm, FAD/FADH₂
Coenzym: NAD⁺/NADH+H⁺ Absorptionsspektren von NAD⁺ und NADH+H⁺
Spezifische Enzymaktivität
Definition
Berechnung der spezifischen Enzymaktivität in der Einheit \(\frac{\mu mol}{min \cdot mg}\) und \(\frac{U}{mg}\)	internationale Einheit in \(\frac{Units}{mg}\)
Besprechung und Auswertung eines Modellversuchs	z. B. optischer Test mit NAD⁺ z. B. Alkoholdehydrogenase praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3)

BPE 9.5

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

Enzymklassen und deren katalysierte Reaktionen	internationaler Enzymcode, EC-Nummer: Internationale Enzymkommission
Oxidoreduktasen: Redoxreaktionen	z. B. Reaktion der Alkoholdehydrogenase praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3)
Transferasen: Übertragung funktioneller Gruppen	z. B. Reaktion der Hexokinase
Hydrolasen: Spaltung/Verknüpfung von Bindungen unter Wassereinlagerung	z. B. Reaktion der Saccharase
Lyasen: nicht-hydrolytische Abspaltung/Verknüpfung von Molekülgruppen	z. B. Reaktion der Pyruvatdecarboxylase
Isomerasen: Umlagerungen innerhalb von Molekülen	z. B. Reaktion der Glucose-Phosphat-Isomerase
Ligasen: Verknüpfung/Spaltung von Molekülen unter ATP-Verbrauch	z. B. Reaktion der Acetyl-CoA-Synthetase

BPE 9.6

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

Michaelis-Menten-Plot	z. B. Reaktion der Alkoholdehydrogenase praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3)
Kurvenverlauf Substratsättigung v_max, v_max/2
Michaelis-Menten-Konstante: K_M-Wert	K_M Wert als Maß für die Affinität eines Substrats zum Enzym, z. B. K_M-Werte für Hexokinase mit Fructose und Glucose als Substrate

BPE 9.7

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Enzymhemmung als Mechanismus der Enzymregulation in der Zelle.

Kompetitive Hemmung	Beispiel aus dem Citratzyclus: Hemmung der Succinatdehydrogenase durch Malat (Produkthemmung) medizinische Anwendung: z. B. Therapie mit Antibiotika, Therapie bei Methanolvergiftung
Allosterische Hemmung	Beispiel aus Glykolyse und Citratzyklus: Hemmung der Phosphofruktokinase durch Citrat (Produkthemmung) weitere Inhibitoren: z. B. Aspirin, Nervengift DIPF, Schwermetalle vgl. BPE 8.6

BPE 10	Bedeutung und Ansetzen von Puffern	7
Die Schülerinnen und Schüler vertiefen ihre Erkenntnis, dass die richtige Auswahl von Puffern die Voraussetzung für ein erfolgreiches Experiment ist. Sie beherrschen Berechnungen zur Pufferherstellung. Ein ressourcensparender Umgang mit Chemikalien steht hierbei ebenfalls im Vordergrund. Sie übertragen diese theoretischen Grundlagen direkt auf die im Fach „Chemisches und biochemisches Praktikum“ durchgeführten berufsrelevanten Experimente.

BPE 10.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Bedeutung und Wirkungsweise von Puffern und begründen die Auswahl eines geeigneten Puffers als entscheidendes Kriterium für viele biochemischen Experimente.
Sie berechnen die Massen der Pufferkomponenten und stellen Puffer bei verschiedenen pH-Werten her.
Sie erläutern mögliche Probleme von Puffern im Zusammenhang mit biologischer Verträglichkeit und Versuchskompatibilität.

Allgemeine Funktion eines Puffers	Beispiele für Puffer in vivo (im Blut) und in vitro (Gewebe-und Zellkultur; Mikrobiologie) Azidose
Zusammensetzung von Puffern
korrespondierendes Säure-Base-Paar pK_S-Wert: Definition Pufferkapazität	Neutralisationsreaktion vgl. BPE 5.2 und 5.3
Puffertypen und Ansetzen von Puffern
Zweikomponenten-Puffer
Acetatpuffer, Phosphatpuffer und dazugehörige Titrationskurven Ansetzen eines Zweikomponenten-Puffers	Ansetzen von Acetat- und Phosphatpuffer mit verschiedenen pH-Werten praktisch durgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)
Einkomponenten-Puffer
PIPES TRIS Ansetzen eines Einkomponenten-Puffers	weitere Beispiele: MOPS, HEPES, CHAPS Metallbindungskonstanten pK_S-Werte von Einkomponenten-Puffern überwiegend im physiologischen Bereich praktisch durgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.3)
Kriterien für die Pufferauswahl	pK_S-Wert, biologische Verträglichkeit, Kompatibilität mit Versuchen, Haltbarkeit

BPE 11	Ausgewählte Methoden der Biochemie	34
Die Schülerinnen und Schüler erhalten Einblicke in gängige biochemische Methoden zur Isolierung, Aufreinigung, Charakterisierung und Quantifizierung von Makromolekülen. Sie befassen sich detailliert mit dem apparativen Versuchsaufbau, den Aspekten der experimentellen Durchführung sowie der theoretischen Versuchsauswertung. Sie übertragen dieses Wissen direkt auf die im Fach „Chemisches und biochemisches Praktikum“ durchgeführten Experimente. Sie zeigen die Grenzen der Methoden auf. Sie diskutieren deren Leistungsfähigkeit und Einsatzgebiete im beruflichen Alltag.

BPE 11.1

Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Prinzip der Chromatografie und beschreiben chromatografische Trennverfahren sowie deren apparative Möglichkeiten. Sie benennen und erklären die einzelnen Schritte zur Durchführung einer Reinigung durch Säulenchromatografie. Sie werten modellhafte Versuche aus und formulieren, interpretieren und diskutieren die Ergebnisse. Sie stellen Versuchsauswertungen grafisch dar.

Grundlagen der Säulenchromatografie
apparativer Aufbau: Säule
stationäre Phase (Matrix)	z. B. Sephadex, Sepharose, Kunstharzpolymere
mobile Phase
prinzipielle Schritte: Äquilibrierung, Probenauftrag, Elution, Regeneration, Konservierung, Detektion	Fraktionskollektor, UV- und VIS-Detektionssysteme
Experimentelle Parameter der Säulenchromatografie
Elutionsvolumen Elutionsdiagramm äußeres Volumen (V_o), totales Volumen (V_t), Volumen der stationären Phase (V_st) mathematische Bestimmung von (V_t)
Prinzip und Anwendung der Gelpermeations-Chromatografie
Reinigung und Trennung nach Größe	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)
Funktionsprinzip der Gelmatrix	Polysaccharide mit definierter Porengröße
Molekulargewichtsbestimmung mittels Kalibriergerade	vgl. MALDI-TOF-Massenspektrometrie
Entsalzung	PD-10 Säule praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)
Prinzip und Anwendung der Ionenaustauschchromatografie
Reinigung und Trennung nach Ladung	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)
Funktionsprinzip der Matrix mit Fest- und Gegenion	z. B. Spülmaschine
Anionenaustauscher, Kationenaustauscher
Desorptionsmöglichkeiten	pH, Ionenstärke, Ionenkonzentration Stufengradient kontinuierlicher Gradient mit Gradientenmischer

BPE 11.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Prinzip der Elektrophorese und beschreiben diese Methode als mögliches Trennverfahren für Proteine. Sie beschreiben die Auftrennung, die Bestimmung der molaren Masse und die Reinheitskontrolle von Proteinen durch SDS-Polyacrylamidgelektrophorese (SDS-PAGE). Sie benennen die apparativen Möglichkeiten und erklären die einzelnen Schritte zur Durchführung dieser Methode. Sie werten modellhafte Versuche aus, formulieren, interpretieren und diskutieren die Ergebnisse. Sie stellen Versuchsauswertungen grafisch dar. Sie erläutern die Regeln der Arbeitssicherheit und des Arbeitsschutzes im Umgang mit elektrischem Strom.

Grundlagen der Elektrophorese
Trennprinzip
apparativer Aufbau der vertikalen Elektrophorese	Elektrophoresekammer, Netzgerät Agarose-Gelelektrophorese vgl. „Mikrobiologisches und gentechnisches Praktikum“ (BPE 9.1)
Aufbau eines Polyacrylamidgels
Sammelgel Trenngel	z. B. 4 %-ig z. B. 10 %-ig, Gradientengele
Komponenten eines Polyacrylamidgels und deren Bedeutung
Acrylamid Methylenbisacrylamid Ammoniumperoxodisulfat (APS) Tetramethylendiamin (TEMED)	Radikalpolymerisation
Aufgaben des Elektrophoresepuffers	z. B. Tris/Glycin-Puffer
Probenpuffer: Komponenten und deren Bedeutung	Sample buffer nach Laemmli
Glycerin	Beschwerung der Probe
Bromphenolblau	Markierung der Laufmittelfront
Sodiumdodecylsulfat (SDS)	anionisches Detergenz, Linearisierung von Proteinen, Vereinheitlichung der Ladung, Denaturierung vgl. BPE 8.6
Beta-Mercaptoethanol	Dithiothreithol
Funktion des Proteinmolekulargewichtsstandards	low molecular weight marker, high molecular weight marker
Bandendetektion mit Farbstoffen
Coomassie-Brilliant-Blau Silberfärbung	Nachweisgrenzen
Anwendung der SDS-PAGE
Molekulargewichtsbestimmung über Kalibriergerade	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)
Reinheitsbestimmung
Vorhersagen zur Proteinstruktur	z. B. Antikörper der Klasse IgG
Western Blot	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.2)

BPE 11.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben spektroskopische Methoden als Instrumente zur Konzentrationsbestimmung von Proteinen.
Hierbei stellen sie halbquantitative und quantitative Methoden gegenüber.
Sie vergleichen die Methoden bezüglich ihrer Genauigkeit und bewerten deren Grenzen.
Sie planen aufgrund von Ergebnissen von halbquantitativen Schnelltests die folgenden Schritte zur präzisen und zuverlässigen Konzentrationsbestimmung von Proteinen.
Sie erläutern Vor-und Nachteile und begründen die richtige Auswahl der jeweiligen Methode. Sie berechnen exemplarisch Proteinkonzentrationen über Formeln oder Kalibriergeraden.

Halbquantitative Analyse
Prinzip und Durchführung der Methode	aromatische Aminosäuren vgl. BPE 8.4 direkte Bestimmungsmethoden z. B. Proteinabschätzung nach Warburg und Christian praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.1) z. B. Proteinabschätzung, nach Kalckar und Shafran, nach Whitaker und Granum
Berechnung der Proteinkonzentration über empirische Formel
Vor-und Nachteile	Zeitersparnis, geringer Materialaufwand, umweltfreundlich, Abschätzung der Proteinkonzentration für weitere Experimente, ungenaue Messmethode
Berechnung von Mehrschrittverdünnungen	z. B. Verdünnungsfaktor 15.000-fach
Quantitative Analyse
Prinzip und Durchführung der Methode
Kolorimetrie	indirekte Bestimmungsmethoden, Proteinbestimmung nach Lowry, Proteinbestimmung nach Bradford, BCA-Test
Bestimmung der Proteinkonzentration über Kalibriergerade mit Proteinstandard	praktisch durchgeführter Versuch vgl. „Chemisches und biochemisches Praktikum“ (BPE 6.1)
Vor-und Nachteile	genaue Ermittlung der Proteinkonzentration, Entsorgung von Sondermüll weitere quantitative Analysemethoden: Fotometrie vgl. „Mathematik I“ (BPE 1.3)

Operatorenliste

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

Anforderungsbereiche:
Anforderungsbereich I umfasst die Reproduktion und die Anwendung einfacher Sachverhalte und Fachmethoden, das Darstellen von Sachverhalten in vorgegebener Form sowie die Darstellung einfacher Bezüge.
Anforderungsbereich II umfasst die Reorganisation und das Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Anwendung von technischen Kommunikationsformen, die Wiedergabe von Bewertungsansätzen sowie das Herstellen von Bezügen, um technische Problemstellungen entsprechend den allgemeinen Regeln der Technik zu lösen.
Anforderungsbereich III umfasst das problembezogene Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden, die situationsgerechte Auswahl von Kommunikationsformen, das Herstellen von Bezügen und das Bewerten von Sachverhalten.

Operator	Erläuterung	Zuordnung Anforderungsbereiche
ableiten	auf der Grundlage relevanter Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen	II
abschätzen	auf der Grundlage von begründeten Überlegungen Größenordnungen angeben	II
analysieren, untersuchen	für eine gegebene Problem- oder Fragestellung systematisch bzw. kriteriengeleitet wichtige Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften eines Sachverhaltes oder eines Objektes erschließen und deren Beziehungen zueinander darstellen	II
anwenden, übertragen	einen bekannten Zusammenhang oder eine bekannte Methode zur Lösungsfindung bzw. Zielerreichung auf einen anderen, ggf. unbekannten Sachverhalt beziehen	II, III
aufbauen	Objekte und Geräte zielgerichtet anordnen und kombinieren	II
aufstellen	fachspezifische Formeln, Gleichungen, Gleichungssysteme, Reaktionsgleichungen oder Reaktionsmechanismen entwickeln	II
auswerten	Informationen (Daten, Einzelergebnisse o. a.) erfassen, in einen Zusammenhang stellen und daraus zielgerichtete Schlussfolgerungen ziehen	II, III
begründen	Sachverhalte oder Aussagen auf Regeln, Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Zusammenhänge oder weitere nachvollziehbare Argumente zurückführen	II
benennen, nennen, angeben	Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten oder Fakten ohne Erläuterung und Wertung aufzählen	I
beraten	eine Entscheidungsfindung fachkompetent und zielgruppengerecht unterstützen	III
berechnen	Ergebnisse aus gegebenen Werten/Daten durch Rechenoperationen oder grafische Lösungsmethoden gewinnen	II
beschreiben	Strukturen, Situationen, Zusammenhänge, Prozesse und Eigenschaften genau, sachlich, strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten darstellen, dabei wird auf Erklärungen oder Wertungen verzichtet	I, II
bestimmen	Sachverhalte und Inhalte prägnant und kriteriengeleitet darstellen	I
bestätigen, beweisen, nachweisen, überprüfen, prüfen	die Gültigkeit, Schlüssigkeit und Berechtigung einer Aussage (z. B. Hypothese, Modell oder Naturgesetz) durch ein Experiment, eine logische Herleitung oder sachliche Argumentation belegen bzw. widerlegen	III
beurteilen, Stellung nehmen	zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf Fachwissen sowie fachlichen Methoden und Maßstäben begründete Position über deren Sinnhaftigkeit vertreten	III
bewerten, kritisch Stellung nehmen	zu einem Sachverhalt oder einer Aussage eine eigene, auf gesellschaftlich oder persönliche Wertvorstellungen begründete Position über deren Annehmbarkeit vertreten	III
charakterisieren	spezifischen Eigenheiten von Sachverhalten, Objekten, Vorgängen, Personen o. a. unter leitenden Gesichtspunkten herausarbeiten und darstellen	II
darstellen, darlegen	Sachverhalte, Strukturen, Zusammenhänge, Methoden oder Ergebnisse etc. unter einer bestimmten Fragestellung in geeigneten Kommunikationsformaten strukturiert und ggf. fachsprachlich wiedergeben	I, II
diskutieren, erörtern	Pro- und Kontra-Argumente zu einer Aussage bzw. Behauptung einander gegenüberstellen und abwägen	III
dokumentieren	Entscheidende Erklärungen, Herleitungen und Skizzen zu einem Sachverhalt bzw. Vorgang angeben und systematisch ordnen	I, II
durchführen	eine vorgegebene oder eigene Anleitung bzw. Anweisung umsetzen	I, II
einordnen, ordnen, zuordnen, kategorisieren, strukturieren	Begriffe, Gegenstände usw. auf der Grundlage bestimmter Merkmale systematisch einteilen; so wird deutlich, dass Zusammenhänge unter vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten begründet hergestellt werden	II
empfehlen	Produkte und Verhaltensweisen kunden- und situationsgerecht vorschlagen	II
entwickeln, entwerfen, gestalten	Wissen und Methoden zielgerichtet und ggf. kreativ miteinander verknüpfen, um eine eigenständige Antwort auf eine Annahme oder eine Lösung für eine Problemstellung zu erarbeiten oder weiterzuentwickeln	III
erklären	Strukturen, Prozesse oder Zusammenhänge eines Sachverhalts nachvollziehbar, verständlich und fachlich begründet zum Ausdruck bringen	I, II
erläutern	Wesentliches eines Sachverhalts, Gegenstands, Vorgangs etc. mithilfe von anschaulichen Beispielen oder durch zusätzliche Informationen verdeutlichen	II
ermitteln	einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren	I, II
erschließen	geforderte Informationen herausarbeiten oder Sachverhalte herleiten, die nicht explizit in dem zugrunde liegenden Material genannt werden	II
formulieren	Gefordertes knapp und präzise zum Ausdruck bringen	I
herstellen	nach anerkannten Regeln Zubereitungen aus Stoffen gewinnen, anfertigen, zubereiten, be- oder verarbeiten, umfüllen, abfüllen, abpacken und kennzeichnen	II, III
implementieren	Strukturen und/oder Prozesse mit Blick auf gegebene Rahmenbedingungen, Zielanforderungen sowie etwaige Regeln in einem System umsetzen	II, III
informieren	fachliche Informationen zielgruppengerecht aufbereiten und strukturieren	II
interpretieren, deuten	auf der Grundlage einer beschreibenden Analyse Erklärungsmöglichkeiten für Zusammenhänge und Wirkungsweisen mit Blick auf ein schlüssiges Gesamtverständnis aufzeigen	III
kennzeichnen	Markierungen, Symbole, Zeichen oder Etiketten anbringen, die geltenden Konventionen und/oder gesetzlichen Vorschriften entsprechen	II
optimieren	einen gegebenen technischen Sachverhalt, einen Quellcode oder eine gegebene technische Einrichtung so verändern, dass die geforderten Kriterien unter einem bestimmten Aspekt erfüllt werden	II, III
planen	die Schritte eines Arbeitsprozesses antizipieren und eine nachvollziehbare ergebnisorientierte Anordnung der Schritte vornehmen	III
präsentieren	Sachverhalte strukturiert, mediengestützt und adressatengerecht vortragen	II
skizzieren	Sachverhalte, Objekte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduzieren und übersichtlich darstellen	I
übersetzen	einen Sachverhalt oder einzelne Wörter und Phrasen wortgetreu in einer anderen Sprache wiedergeben	II
validieren, testen	Erbringung eines dokumentierten Nachweises, dass ein bestimmter Prozess oder ein System kontinuierlich eine Funktionalität/Produkt erzeugt, das die zuvor definierten Spezifikationen und Qualitätsmerkmale erfüllt	I
verallgemeinern	aus einer Einsicht eine Aussage formulieren, die für verschiedene Anwendungsbereiche Gültigkeit besitzt	II
verdrahten	Betriebsmittel nach einem vorgegebenen Anschluss‑/ Stromlaufplan systematisch elektrisch miteinander verbinden	I, II
vergleichen, gegenüberstellen, unterscheiden	nach vorgegebenen oder selbst gewählten Gesichtspunkten problembezogen Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln und gegenüberstellen sowie auf dieser Grundlage ggf. ein gewichtetes Ergebnis formulieren	II
wiedergeben	wesentliche Information und/oder deren Zusammenhänge strukturiert zusammenfassen	I
zeichnen	einen beobachtbaren oder gegebenen Sachverhalt mit grafischen Mitteln und ggf. unter Einhaltung von fachlichen Konventionen (z. B. Symbole, Perspektiven etc.) darstellen	I, II
zeigen, aufzeigen	Sachverhalte, Prozesse o. a. sachlich beschreiben und erläutern	I, II
zusammenfassen	das Wesentliche sachbezogen, konzentriert sowie inhaltlich und sprachlich strukturiert mit eigenen Worten wiedergeben	I, II

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