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Biotechnologie

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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.

Bildungsplanübersicht

Schuljahr

Bildungsplaneinheiten

Zeitricht-wert

Gesamt-stunden

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

1	Zellen als Funktionseinheiten des Lebens und die Rolle der zellulären Makromoleküle

2	Aufbau und Funktion von Biomembranen

3	Struktur und Funktion von Proteinen

4	Funktion von Enzymen als zelluläre Biokatalysatoren

5	Struktur von Nukleinsäuren und Vervielfältigung von DNA

6	Laborübungen

40 (40)

210 (40)

Zeit für Leistungsfeststellung

240 (40)

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

7	Genetische Information als Grundlage für biotechnologische Verfahren in der Medizin

8	Realisation der genetischen Information: Biosynthese von Proteinen und heterologe Expression

9	Reproduktionsbiologie des Menschen und Regenerationsmedizin

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

11	Krebs und Signaltransduktion

12	Laborübungen

40 (40)

210 (40)

Zeit für Leistungsfeststellung

240 (40)

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

13	Zellulärer Stoffwechsel am Beispiel der aeroben Dissimilation: Zellatmung

14	Anaerobe Dissimilation: Glykolyse mit Gärung

15	Biotechnologische Produktion

16	Laborübungen

32 (32)

168 (32)

Zeit für Leistungsfeststellung

192 (32)

Die Zeitrichtwerte in Klammern geben den Anteil der Stunden in Gruppenteilung an.

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

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
v_max, K_m

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 T_m-Werts	Wallace Regel
Primer-Orientierung	Syntheserichtung: 3'-Enden zueinander gewandt

BPE 6	Laborübungen	40 (40)
Die Laborübungen führen die Schülerinnen und Schüler in grundlegende mikro- und molekularbiologische Arbeitsweisen ein und geben im Sinne einer Berufsorientierung einen Einblick in das naturwissenschaftlich-experimentelle Arbeiten im Labor. Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass erarbeitete Ergebnisse in ihrer Validität zu überprüfen und abzusichern sind. Darüber hinaus erkennen sie das Potenzial digitaler Medien bei der Aufbereitung und Auswertung der experimentellen Daten. Die Experimente orientieren sich an Inhalten des Theorieunterrichts und veranschaulichen den Schülerinnen und Schülern die teilweise sehr abstrakten Modellvorstellungen, die hinter beobachteten biologischen und biotechnologischen Prozessen stehen.

BPE 6.1

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

Sicherheitsunterweisungen	RiSU
Betriebsanweisungen
Versuchsanleitungen mit Hinweisen zum Arbeits- und Gesundheitsschutz

BPE 6.2

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

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

BPE 6.3

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

Nährmedien
Volumen-Messgeräte: Messzylinder und ‑pipetten, Mikroliterpipetten	Pipettierübungen
Steril-Arbeitstechniken
Reinkultur: Vereinzelungsausstrich, Kolonie, Klon

BPE 6.4

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

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

BPE 6.5

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

Einstrahl-Spektralfotometer: Aufbau, Strahlengang, Extinktion, Absorption
Positiv- und Negativkontrolle, Wiederholungs- und Parallelansätze
Gesamtkeimzahlbestimmung: OD-Messung, Eichkurve	Einsatz eines Tabellenkalkulationsprogramms, vgl. Bioinformatik, Eingangsklasse
Wachstumskurve bei Bakterien	OD-Zeit-Diagramm von E. coli in Batch-Kultur

BPE 6.6

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

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

BPE 6.7

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

Zellernte, Zelllyse, Fällung
Absorptionsspektrum, ‑maxima
Konzentration: c(dsDNA) = A₂₆₀ x 50 x Verdünnungsfaktor µg/mL	A₂₆₀ = 1 entspricht 50 µg/mL dsDNA
Reinheit: Quotient A₂₆₀/A₂₈₀

Jahrgangsstufe 1

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

Vertiefung	Individualisiertes Lernen	Projektunterricht
z. B. Übungen Anwendungen Wiederholungen	z. B. Selbstorganisiertes Lernen Lernvereinbarungen Binnendifferenzierung	z. B. Impfstoffherstellung und Impfquoten Herstellung von Therapeutika durch Gene Pharming Epigenetik im Zusammenhang mit Evolution Präimplantations- und Pränatal-Diagnostik (PID, PND) CRISPR/Cas-Experimente

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

BPE 7	Genetische Information als Grundlage für biotechnologische Verfahren in der Medizin	10
Die Schülerinnen und Schülern erhalten am Beispiel der HIV-Infektionen und der retroviralen Vermehrung einen Einblick in die Wirkung des adaptiven Immunsystems. Sie erkennen das Potenzial biotechnologischer Verfahren hinsichtlich Erforschung, Diagnose und Therapie bei solchen Infektionskrankheiten und erweitern dabei ihr Verständnis für den Fluss der genetischen Information. Am Beispiel der Therapiemöglichkeiten von HIV-Infektionen und auf der Basis von Recherchen erkennen die Schülerinnen und Schüler den Bedarf an medizinisch bedeutsamen Proteinen. Dies stellt einen Anwendungsschwerpunkt biotechnologischer Verfahren im Bereich der Medizin dar. Sie erkennen, dass für ein Verständnis des Konzepts der heterologen Expression die Auseinandersetzung mit der Genexpression als Vorgang der Realisation der genetischen Information erforderlich ist. Sie verstehen zudem, dass heterologe Expressionen den Einsatz gentechnischer Verfahren bedingen.

BPE 7.1

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

Begriffsbestimmung: AIDS und HIV
Zerstörung der koordinierenden T-Helferzellen
Fehlen spezifischer Immunglobuline (Ig) und T-Killerzellen

BPE 7.2

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

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

BPE 7.3

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

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

BPE 7.4

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

Impfstoffe zur Prophylaxe	Influenza‑, EBV‑, HPV-Impfstoff
primäre und sekundäre Immunantwort: IgG-Konzentration, zeitlicher Verlauf
Therapeutika	Insulin, EPO, vgl. BPE 8
Diagnostika	ELISA, Immunglobuline, Enzyme, vgl. BPE 8
Regenerative Medizin: individualisierte Stammzellen und Gewebe	Tissue Engineering, therapeutisches Klonen, vgl. BPE 9
Verfahren zur genetischen Diagnostik	vgl. BPE 10
Notwendigkeit der heterologen Expression	Advance Organizer
Prinzip einer molekularen Klonierung	menschliches Insulingen als Transgen, vgl. BPE 8

BPE 8	Realisation der genetischen Information: Biosynthese von Proteinen und heterologe Expression	36
Den Schülerinnen und Schülern wird bewusst, dass eine genauere Analyse von pro- und eukaryotischen Genen hinsichtlich ihres Aufbaus, ihrer Expression sowie ihrer Regulation notwendig ist, um Strategien für eine heterologe Expression als Basis für eine biotechnologische Proteinproduktion verstehen bzw. entwickeln zu können. Dabei erkennen sie die Notwendigkeit einer Genregulation bei Prokaryoten. Am Beispiel der Insulin-Biosynthese wird den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht, dass sich die Genregulation bei Eukaryoten komplexer in den Mechanismen und unter Einbeziehung mehrerer Genexpressionsebenen darstellt. Sie begründen zudem Probleme der Insulin-Synthese mittels heterologer Expression als Grundlage einer ökonomischen, bedarfsdeckenden Proteinproduktion: Sie lernen, problemorientiert nach Lösungsansätzen zu suchen und begreifen, dass Lösungsmöglichkeiten in Abhängigkeit von spezifischen Anforderungen, von Optimierungsmöglichkeiten oder von ökonomischen Aspekten variieren können. Die Schülerinnen und Schüler werden in die Lage versetzt, die dabei erarbeiteten Prinzipien auf ähnliche Problemstellungen zu übertragen.

BPE 8.1

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

Genexpression: Realisation der genetischen Information bei Pro- und Eukaryoten im Überblick	zentrales Dogma der Molekularbiologie vgl. BPE 1
Struktur und Funktionselemente eines Gens	proteincodierende Gene
transkribierter, codierender Bereich; UTRs	CDS, vgl. Bioinformatik
Exons, Introns bei Eukaryoten
Ribosomenbindungsstelle bei Prokaryoten; Capping‑, Polyadenylierungsstelle bei Eukaryoten
Promotor, Terminator	Consensus-Sequenzen, vgl. Bioinformatik
Operator bei Prokaryoten; Enhancer, Silencer bei Eukaryoten	transkriptionsregulierende Elemente
Transkription
DNA-abhängige RNA-Polymerase, NTPs, Matrizen- und Nicht-Matrizenstrang, mRNA	Ribonucleosidtriphosphate ATP, CTP, GTP, UTP, Syntheserichtung 5' nach 3'
Phasen: Initiation, Elongation, Termination	Bedeutung der Initiation für Genregulation
Posttranskriptionale Modifikation bei Eukaryoten: Splicing, Capping, Polyadenylierung	alternatives Splicing als Regulationsmöglichkeit
Translation
Aufbau Ribosom, A-P-E-Modell
Genetischer Code	Codontabelle
Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, Aminoacyl-tRNA, Codon, Anticodon	Syntheserichtung N- nach C-terminal, vgl. BPE 1 und 3
Phasen: Initiation, Elongation, Termination	posttranslationale Modifikation
Gen als Transkriptionseinheit	rRNA, tRNA und Proteine als Genprodukte

BPE 8.2

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

Genregulation, exogene Signale	Umwelteinflüsse, Diauxie
Operon-Modell, lac-Operon	regulierbare Genexpression auch bei heterologer Expression in E. coli
Regulatorgen, konstitutiver Promotor
Induzierbarer lac-Promotor, Operator, Strukturgene	polycistronisches Transkript
Induktion der Transkription durch Lactose	Konformationsänderung von LacI, vgl. BPE 3
Ökonomie-Prinzip: bedarfsgerechte Enzymsynthese durch Substratinduktion	„Energiekosten“ der Genexpression

BPE 8.3

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

Insulin als metabolisches Hormon: Wirkung auf Kohlenhydrat‑, Fett- und Aminosäurestoffwechsel	Glucagon als Insulin-Antagonist, Diabetes mellitus
Biosynthese von Insulin in pankreatischen ß-Zellen bei hoher Glucose-Konzentration
Ebenen: Transkription, Processing, Halbwertszeit der mRNA, mRNA-Export, posttranslationale Modifikation, Export, Degradation

BPE 8.4

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

Allgemeine Transkriptionsfaktoren (TF), TATA-Box-bindendes Protein; RNA-Polymerase	TATA-Box in „-25“-Region
Aktivierende und inhibierende spezifische TF
Modular aufgebaute regulatorische DNA, Enhancer, Silencer, Schleifenbildung der DNA	Transkriptosom
Transkriptionsrate: Anzahl, Art, Affinitäten der TF zu den Bindungsstellen; TF-Kombination einer Zelle	präzise regulierbare, differenzielle Genexpression

BPE 8.5

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

Prä-Proinsulin, Translokation in das Lumen des ER	proteolytische Spaltung, Signalpeptid
Proinsulin, Faltung	Disulfidbrücken, vgl. BPE 3
Transport in Golgi-Apparat, Insulin	proteolytische Spaltung in A- und B-Kette
Glucose-abhängige Freisetzung des reifen Insulins	Exocytose, vgl. BPE 2
Modifikationen
Proteinfaltung	Chaperone, Hitzeschockroteine in E. coli, Tertiärstruktur
Ausbildung von Disulfidbrücken	Reaktionsgleichung, Immunglobuline
Proteolytische Spaltung	Insulin
Glykosylierung	Immunglobuline, Membranproteine
Phosphorylierung	Strukturformeln, Aktivierung der RNA-Polymerase und von Membranpumpen
Acetylierung	Histon-Modifikation, vgl. BPE 9
Funktionale Proteinstruktur, Aktivitätszustand

BPE 8.6

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

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

BPE 8.7

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

Gensuche, ‑analyse	vgl. Bioinformatik
Auswahl von Vektor- und Insert-DNA	vgl. BPE 5 – 7, BPE 12
Restriktion von Vektor- und Insert-DNA
Ligation von Vektor und Insert	vgl. BPE 5
Transformation	vgl. BPE 5
Selektion der Transformanten, klonale Vermehrung

BPE 8.8

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

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

BPE 8.9

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

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

BPE 8.10

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

Biologische Bedeutung, Nomenklatur
Restriktionsenzyme	TypII-Restriktionsendonucleasen, vgl. BPE 12
spezifische Restriktionsstelle	palindromische Erkennungssequenz
Hydrolyse von Phosphorsäureesterbindungen
Fragment-Enden: glatt bzw. 5'- oder 3'-überhängend, ligationskompatible Enden	schematische Modelldarstellung
Ligation, Ligase
Transformation: Calciumchlorid-Methode, Elektroporation
Transformationskontrolle	Selektionsmarker

BPE 8.11

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

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

BPE 8.12

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

Fusionsgen mit bakteriellem Fusionsanteil
Proteinexport	Signalpeptide der Gene ompA, malE
Reinigung des Proteins	Polyhistidin-Tag, vgl. BPE 15
Prokaryotisches Expressionssystem: E. coli	regulatorische Elemente
Vorteile: kurze Generationszeit, billige Massenkultivierung, hohe Ausbeute
Eukaryotisches Expressionssystem: CHO-Zellen	Herstellung von EPO, tPA, Faktor VIII
Vorteile: lösliches Protein, korrekte Faltung, korrektes Glykosylierungsmuster	Vermeidung von inclusion bodies

BPE 9	Reproduktionsbiologie des Menschen und Regenerationsmedizin	14
Aus der Kenntnis der Vorgänge bei der Keimzellbildung entwickeln die Schülerinnen und Schüler ein Verständnis für die Bedeutung der sexuellen Fortpflanzung für genetische Variabilität, Anpassung und Evolution. Inhalte aus dem Themenfeld der Stammzellforschung und ‑therapie erlauben ihnen Einblicke in aktuelle biotechnologische Forschungsbereiche. Eine ethische Bewertung der Verfahren ermöglicht es ihnen auf der Basis fachlicher Argumente einen eigenen Standpunkt in der gesellschaftlichen Debatte auszubilden und einzunehmen.

BPE 9.1

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

Meiose	Mitose, vgl. BPE 5
Keimbahn, Gameten	Oogenese, Spermatogenese
Kernphasenwechsel: Diploidie, Haploidie
Hauptphasen der Meiose I, Meiose II
inter‑, intrachromosomale Rekombination	genetische Variabilität
Chromosomentheorie der Vererbung	Sutton und Boveri
Karyogramme: Metaphase-Chromosomen
p‑, q-Arme, Lage des Centromers
homologe Chromosomenpaare, Autosomen, Gonosomen	vgl. BPE 10
Geschlechtsbestimmung beim Menschen	XX, XY
Variabilität der genetischen Information der beiden Zellteilungsformen	sexuelle Fortpflanzung als evolutionäre Strategie

BPE 9.2

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

Blastogenese: Zygote, 8-Zell-Stadium, Morula, Blastocyste	Differenzierungspotenzial von pluri- bzw. multipotenten Stammzellen
Embryo, Abgrenzung zu Fetus
Entwicklungspotenzial und Zelldifferenzierung	Stammzelle vs. differenzierte Zelle
differentielle Genexpression	spezifische TF, vgl. BPE 8
Epigenetik: DNA-Methylierung, Histon-Acetylierung und Chromatinstruktur	Differentielle Basen- und Histon-Modifikationen in Körper‑, Keim- und Stammzellen

BPE 9.3

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

Embryonale Stammzellen (ES), adulte Stammzellen (AS)	natürlich vorkommende Stammzellen, neonatale Stammzellen aus Nabelschnurblut
Differenzierungspotenzial: toti‑, pluri‑, multipotent
Teilungsfähigkeit, Selbsterneuerung
Stammzellgewinnung
AS: hämatopoetische Stammzellen	Knochenmark, Leukämie
ES: IVF-generierte Blastocysten, therapeutisches Klonen mit Kerntransfer	In-vitro-Fertilisation (IVF) Immunreaktion bei allogener Transplantation
induzierte pluripotente Stammzellen (iPS)
Medizinische Nutzung von Stammzellen
stammzellbasierte Geweberegeneration, Tissue Engineering	Hautersatz

BPE 9.4

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

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

BPE 10	Entstehung, Vererbung, Nachweis und Therapie von Mutationen im menschlichen Genom	34
Die Schülerinnen und Schüler verstehen Mutationen als Veränderungen der Erbinformation und erkennen diese sowohl als Grundlage der Entstehung neuer Merkmale und damit der Evolution, als auch als Ursache von Krankheiten und Krankheitsdispositionen. Stammbaumanalysen ermöglichen es den Schülerinnen und Schülern die Weitergabe von Merkmalen an die nächste Generation als regelgeleiteten Prozess zu begreifen. Anhand von Beispielen aus Alltag und Labor verstehen die Schülerinnen und Schüler die Wirkung von Mutagenen. Sie lernen verschiedene Mutationsarten zu erkennen, sowie die Konsequenzen der Veränderung genetischer Information abzuschätzen. Sie wenden ihre Vorkenntnisse auf den Zusammenhang zwischen DNA, Proteinmenge und ‑struktur sowie Proteinfunktion zur Ableitung konkreter Mutationsfolgen an. Am Beispiel moderner Diagnoseverfahren lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Werkzeuge und Methoden der Molekulargenetik kennen. Sie sind in der Lage, die exemplarisch gewonnenen Erkenntnisse auf unbekannte Krankheitsbeispiele zu übertragen und dargestellte Analyse- bzw. Diagnoseergebnisse auszuwerten. Die Schülerinnen und Schüler recherchieren und formulieren Argumente zur Diskussion der Konsequenzen genetischer Diagnostik für das Individuum und die Gesellschaft. Sie erweitern damit ihre fachbezogene Reflexionsfähigkeit.

BPE 10.1

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

Funktionsverlust, positiver oder negativer Funktionsgewinn	Loss of function (LOF), Gain of function (GOF)
Krankheit, Krankheitsdisposition
genetische Variabilität, Selektion, Evolution
Spontanmutationen	spontane Desaminierung von Cytosin
Non-Disjunction, illegitimes Crossing-over	Alter von Mutter und Vater, vgl. BPE 9
fehlerhafte DNA-Replikation bzw. DNA-Reparatur	vgl. BPE 5
Integrative Viren	mobile genetische Elemente, vgl. BPE 7
Chemische Mutagene	interkalierende Substanzen, Basenanaloga
Physikalische Mutagene	UV-Strahlung

BPE 10.2

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

Genmutation	Sichelzellanämie, Chorea Huntington, Mukoviszidose
Punktmutationen: Missense‑, Nonsense-Mutation, stille Mutation
Deletion und Insertion, Rastermutation
Veränderung der Genexpression	Mutation in Promotor, Operator, Enhancer
Chromosomenmutation	strukturelle Chromosomenaberration; Katzenschreisyndrom, Chronische Myeloische Leukämie (CML)
Translokation	balancierte Translokation
Deletion und Insertion
Duplikation
Inversion
Genommutation	numerische Chromosomenaberration: Down-Syndrom, Turner-Syndrom
Euploidie: Haploidie, Polyploidie	Bärtierchen, Saatweizen, Erdbeere
Aneuploidie: Monosomie, Trisomie	Translokationstrisomie
Keimbahnmutation
Somatische Mutation	vgl. BPE 11

BPE 10.3

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

Phänotyp, Genotyp, Allel; Hetero‑, Homozygotie
Dominant-rezessiver Erbgang
Kreuzungsschema: Parental (P)‑, Filialgeneration (F1, F2)	mögliche Kombinationen von Gameten, Wahrscheinlichkeiten; Mendelsche Regeln
Humangenetik: Stammbaumanalyse
Stammbaumsymbolik
Erbgänge: autosomal bzw. X-chromosomal, dominant bzw. rezessiv
Allel-Schreibweise
Ausschlussprinzip
ergänzende molekulargenetische Daten	PCR-Analyse z. B. bei Chorea Huntington
Wahrscheinlichkeitsberechnungen: Kreuzungsschemata

BPE 10.4

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

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

BPE 10.5

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

Genommutation: Trisomie 21, Down-Syndrom
Folge: Gendosiseffekte	Symptomatik
Karyogramm-Analyse: Karyotyp	Klinefelter‑, Turner-Syndrom
Chromosomenmutation: Chronische Myeloische Leukämie (CML)
reziproke Translokation: Chromosomen 9 und 22	Philadelphia-Chromosom
bcr-abl-Fusionsgen, BCR-ABL-Fusionsprotein
Folge: gesteigerte Zellproliferation	Symptomatik, vgl. BPE 11
FISH-Analyse, prinzipieller Ablauf
Präparation: Fixierung, DNA-Denaturierung
Hybridisierung der Sonden, Waschen
Auswertung, Fluoreszenzmikroskopie: Anzahl der Fluoreszenzsignale pro Zelle, Co-Lokalisation bzw. disperse Lokalisation

BPE 10.6

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

Genmutation: Huntingtin-Gen, Chorea Huntington
Expansion von CAG-Tripletts, Verlängerung des Glutamin-Abschnitts von Huntingtin
Folge: Degeneration bestimmter Neuronen	amyloidartige Ablagerungen, Symptomatik
PCR-Analyse, prinzipieller Ablauf
spezifisches, flankierendes Primer-Paar	vgl. BPE 5, BPE 12
Gelelektrophorese: Bandenanzahl, Fragment-Längen	vgl. BPE 12
Auswertung: Allele, Genotypen	Anzahl der CAG-Repeats und Krankheitsbild

BPE 10.7

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

STR (Short Tandem Repeat), STR-Analyse zur DNA-Typisierung
Anwendungsgebiete
Forensik
Verwandtschaft von Individuen	Vaterschaftstest
DNA-Typisierung, prinzipieller Ablauf	vgl. BPE 12
Amplifikation: mehrere, polymorphe STRs	Polymorphismen in nicht-codierenden Bereichen
Multiplex-PCR	Amplifikation ausgewählter polymorpher DNA-Abschnitte, Wahrscheinlichkeitsbetrachtung
Gelelektrophorese, Trennung der Amplifikate	modellhafte Darstellung, vgl. BPE 12
Auswertung: Grad der Übereinstimmung, Herkunft von Allelen, Bandenmuster	Allelfrequenzen

BPE 10.8

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

Genmutation: ß-Globin-Gen, Sichelzellenanämie
Nukleotid-Substitution: Verlust einer Restriktionsstelle
Folge: sichelförmige Erythrozyten, Hämolyse	Symptomatik: Anämie, Selektionsvorteil in Malariagebieten
RFLP-Analyse, prinzipieller Ablauf
PCR-Amplifikation
Restriktion der PCR-Produkte	vgl. BPE 8, BPE 12
Gelelektrophorese: Bandenanzahl, Fragment-Längen	vgl. BPE 12
Auswertung: Allele, Genotyp, Korrelation mit Phänotyp

BPE 10.9

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

Genmutation: cftr-Gen, Cystische Fibrose (CF)
Punktmutation
Folge: Fehlfunktion von Chloridkanälen, gestörter Wasserhaushalt	Symptomatik des Atemtrakts: zähflüssiges Sekret durch verringerten Wassergehalt
DNA-Sequenzierung, Kettenabbruch-Methode	vgl. BPE 8
Reaktionsansatz: Template-DNA, Primer, DNA-Polymerase, dNTPs, fluoreszenzmarkierte ddNTPs, Puffer	Verhältnis Desoxy- zu Didesoxyribonukleotiden, Veranschaulichung mit Modellen
denaturierende Gelelektrophorese, fluoreszenzbasierte Detektion
Auswertung von Elektropherogrammen
DNA-Sequenzunterschiede: Allele, Genotypen
Abschätzung der veränderten Proteinstruktur, Grad der Funktionsveränderung	Primärstruktur; Tertiärstruktur hypothetisch

BPE 10.10

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

Gentherapie, prinzipielle Schritte	CF: Ansatz mittels RNA-Interferenz
DNA-Transfer: somatische Zellen	Moratorium gegen Keimbahntherapie
Transfektion, ex vivo oder in vivo
Transgen-Expression
DNA-Transfer, retroviraler Vektor: Gen-Addition	Adenoviren, Adeno-assoziierte Viren
CRISPR/Cas-System: Gen-Knockout, ‑Substitution	Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
CRISPR/Cas9-Vektor: gRNA, Cas9-Nuklease	guide RNA
homologe Rekombination

BPE 11	Krebs und Signaltransduktion	16
Das Thema Krebs und Krebsentstehung bietet den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, sich mit der zentralen Frage der Koordination biologischer Prozesse auseinander zu setzen. Sie erkennen, dass Zellen über molekularbiologische Programme verfügen, die eine solche Koordination bewerkstelligen, wie etwa die Mechanismen der Zellzyklus-Kontrolle oder die molekulare Maschinerie zur Rezeption von Signalen aus der Umgebung. Sie verstehen, dass für eine solche Zellkommunikation (Basiskonzept Kommunikation) komplexe Netzwerke von Signalmolekülen zur Verfügung stehen und erkennen, dass solchen Signaltransduktionsvorgängen bestimmte Prinzipien zugrunde liegen, die auch im Kontext anderer biologischer Prozesse ihre Anwendung finden. Die Schülerinnen und Schüler lernen aber auch, dass durch evolutive Prozesse, wie sie bei der Tumorprogression wirken, die potenten Kontrollmechanismen einer Zelle unterwandert werden können. Ihnen wird auch bewusst, dass mit einem zunehmenden Verständnis der Mechanismen, die zu einer Tumorbildung führen, sich auch Perspektiven für zusätzliche Therapieansätze eröffnen, wie etwa der immunglobulinbasierten Krebstherapie.

BPE 11.1

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

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

BPE 11.2

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

Progression: Zyklen von Mutation, Selektion und Proliferation	Mikro-Evolutionsprozess
Zellteilungs-Kontrollmechanismen
Apoptose
Dickdarmkrebs
Adenom, Carcinom, Invasion, Metastasierung	apc, ras, smad4, p53, adenomatöse Polyposis coli

BPE 11.3

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

Tumorsuppressorgene	apc, smad4
Definition, Wirkung
p53, p21, Cyclin-CdK-Komplex	Zellzykluskontrolle; Cyclin-abhängige Kinase
Proto-Onkogen	Tyrosinkinase-Signaltransduktion
Definition, Wirkung Onkogen
extrazelluläres Wachstumssignal, Ras, Zellantwort

BPE 11.4

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

Signaleingang, ‑weiterleitung, Zellantwort	Sender-Empfänger-Modell
First Messenger
Rezeptor: membranständig, intrazellulär
Second Messenger, intrazelluläre Signalkaskade	Signal-Integration
Zielproteine zur Zellantwort: Stoffwechselenzyme, Genregulatorproteine
Signalspezifität: spezifische Wechselwirkungen	Schlüssel-Schloss-Prinzip
Ligand, Rezeptor
Signalweiterleitung, ‑verstärkung	exemplarisch, prinzipielle Mechanismen
Rezeptor-Aktivierung: Liganden-induzierte Konformationsänderung
Ras als molekularer Schalter: GTP-Bindungsprotein/GTPase, Phosphorylierung, Dephosphoylierung, von Signalproteinen (Kinasenkaskade)	MAP-Kinase-Modul
Second Messenger cAMP: Adenylat-Cyclase, cAMP-Phosphodiesterase	cyclisches Adenosinmonophosphat, vgl. BPE 5
Konzentrationserhöhung einer nachgeschalteten aktiven Komponente	enzymkatalysierte Schritte, MAP-Kinase-Modul, vgl. BPE 7
Signalabschaltung

BPE 11.5

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

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

BPE 12	Laborübungen	40 (40)
Die Schülerinnen und Schüler lernen den verantwortungsvollen und sicheren Umgang mit gentechnisch veränderten Bakterien kennen und führen sachgerechte Experimente durch. Sie vertiefen Prinzipien der DNA-Isolierung und Analyse am Beispiel bakterieller Plasmid-DNA. Sie nutzen diese in einem S1-Experiment zur Klonierung und erzeugen so gentechnisch veränderte Organismen, die sie mithilfe mikrobiologischer und molekularbiologischer Verfahren analysieren. Die im Theorieunterricht erworbenen Kenntnisse werden in den Laborübungen angewendet und vertieft. Dabei sollen im Unterricht gezielt Parallelen zwischen natürlichen zellulären Vorgängen und deren gentechnischer Anwendung aufgezeigt werden.

BPE 12.1

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

Aufbau eines Gels, Bedeutung der Puffer, Laufverhalten der DNA	Agarose-Konzentration und Trennschärfe
DNA-Detektion: Banden	DNA-Farbstoffe
Fragment-Längen: grafische Analyse, Eichkurve	im Vergleich zur Methode des Abschätzens
Plasmid-Isolation
Säulenchromatografie: Probenauftrag, Waschen, Elution
Retention, Verteilung von Stoffen	aufgrund physikalisch-chemischer Eigenschaften
Restriktion, Gelelektrophorese
Laufverhalten natives bzw. linearisiertes Plasmid	supercoiled-Konformation
Abfolge, Abstände von Restriktionsstellen	vgl. BPE 8

BPE 12.2

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

Klonierungsstrategie: Enden-Kompatibilität, Insert-Orientierung	Vektorkarten, vgl. BPE 8
DNA-Isolation, Restriktion	Dephosphorylierung des Vektors, vgl. BPE 8
Präparation Insert‑, Vektor-DNA
DNA-Konzentrationsbestimmung, Ligation	molare Verhältnisse der Enden, vgl. BPE 6
Herstellung kompetenter Zellen, Transformation	Calciumchlorid-Methode, vgl. BPE 8
Kultivierung, Selektion: Transformationskontrolle	Aufnahme des Plasmids mit bla-Gen, vgl. BPE 8
Analyse: PCR, Restriktionskartierung oder Reporter	Green Fluorescent Protein (GFP)

BPE 12.3

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

DNA-Typisierung mittels PCR	Alu-Sequenzen, vgl. BPE 5, BPE 10
Reaktionsansatz: Template-DNA, Primer-Paar, Taq-Polymerase, Reaktionspuffer mit dNTPs
Positiv- und Negativkontrolle
Primer-Design: Primer-Bindungsstellen, Primer-Spezifität, Berechnung Annealing-Temperatur
Denaturierungs‑, Annealing- und Polymerisationstemperatur und ‑zeit
Auswertung
Gelelektrophorese
Bandenanzahl, Fragment-Längen: Allele, Genotypen	Alu-Modellversuch

Jahrgangsstufe 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

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, P_i	P_i: anorganisches Phosphat
Reduktionsäquivalente: NAD⁺/NADH + H⁺; FAD/FADH₂
Stoffbilanz	Summenformelschreibweise

BPE 13.2

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

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

BPE 13.3

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

Lokalisation
Reaktionsschritte: Metabolite in Strukturformeln
Energie‑, Elektronen- und Protonenüberträger: Cofaktoren in Kurzschreibweise
Donor-Akzeptor-Prinzip
Prinzip der Energiekopplung
Biologische Bedeutung, Gesamtreaktionsbilanz: Stoffbilanz, Energie- und Reduktionsäquivalente	Summenformelschreibweise

BPE 13.4

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

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

BPE 13.5

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

Verzahnung von Stoffwechselprozessen
Katalyse irreversibler Schritte
Regulation, allosterische Effektoren
ADP: Signal für Energiebedarf
ATP: Endprodukthemmung
Homöostase-Prinzip: konstante ATP-Konzentration durch negative Rückkopplung

BPE 13.6

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

Bilanzreaktionsgleichung
Lokalisation	Pro‑, Eukaryoten; Pyruvat-Carrier
Pyruvat-Dehydrogenase-Komplex, Cofaktoren	Multienzymkomplex
Biologische Bedeutung
Decarboxylierung, C-Gerüste
Reduktionsäquivalente
Aktivierung: HS-CoA, Acetyl-S-CoA	Coenzym A

BPE 13.7

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

Lokalisation	Pro‑, Eukaryoten
Citrat-Synthase-Reaktion, Strukturformeln	Bindung der Acetyl-Gruppe an Oxalacetat
Kreisprozess, Metabolite in Strukturformeln
Biologische Bedeutung
Decarboxylierungen, C-Gerüste, vollständige Oxidation
Akzeptor-Regeneration
Ausgangspunkt für Biosynthesen	Aminosäurensynthese, ‑abbau
Energie‑, Reduktionsäquivalente	GTP äquivalent zu ATP
auffüllende Reaktion: Pyruvatcarboxylase

BPE 13.8

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

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

BPE 13.9

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

Chemiosmose: Komplexe I bis IV, Ubichinon, Cytochrom c, ATP-Synthase
Redoxsysteme, Elektronenübertragung
Protonenpumpen, elektrochemischer Protonengradient
oxidative Phosphorylierung
Biologische Bedeutung, Gesamtreaktionsbilanz
Oxidation der Reduktionsäquivalente, Regeneration von NAD⁺ und FAD
Energiegewinn: 38 mol ATP pro mol Glucose; Wirkungsgradberechnung	Ausbeute verringert durch z. B. Transportvorgänge

BPE 14	Anaerobe Dissimilation: Glykolyse mit Gärung	8
Die Schülerinnen und Schüler verstehen Gärungen als anaerobe Prozesse der Energiegewinnung und Regeneration von NAD+, wobei im Vergleich zur aeroben Dissimilation Glucose nur unvollständig mit geringem ATP-Gewinn abgebaut wird. Sie erkennen, dass mithilfe von Gärungsprozessen biotechnologisch relevante Stoffe zum Nutzen für den Menschen produziert werden.

BPE 14.1

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

Alkoholische Gärung
Lokalisation
Stoffwechselweg: Glykolyse; Pyruvat-Decarboxylase, Alkohol-Dehydrogenase	vgl. BPE 13
Gesamtreaktionsbilanz, Wirkungsgrad
Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis: Bier- und Weinherstellung, Produktion von Bioethanol	Nachhaltigkeit
Homofermentative Milchsäuregärung
Lokalisation: Cytoplasma
Stoffwechselweg: Glykolyse; Lactat-Dehydrogenase	vgl. BPE 13
Gesamtreaktionsbilanz, Wirkungsgrad
Milchsäurebakterien: Konservierung von Lebensmitteln

BPE 14.2

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

Oxidation der Glucose	vollständig bzw. unvollständig
Regeneration von NAD⁺
Energiegewinn, Wirkungsgrad	vgl. BPE 13

BPE 15	Biotechnologische Produktion	42
Die Schülerinnen und Schüler leiten, entsprechend den vorgegebenen Prozesszielen und Bedürfnissen der Mikroorganismen, den Bioreaktortyp, das Nährmedium, die einzustellenden Parameter und die Prozessführung ab. Sie wenden Prinzipien der Regelung für eine optimale Produktbildung an und beschreiben technische Regelkreise. Aus den Eigenschaften des Produkts leiten die Schülerinnen und Schüler geeignete Verfahren zur Produktgewinnung, Produktreinigung und Reinheits- bzw. Aktivitätskontrolle ab.

BPE 15.1

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

Upstream-Prozess
Produktionsstamm	vgl. BPE 8
Bioreaktortyp, Nährmedium, Sterilisation
Impfgutanzucht, Inokulation	Scale-up
Fermentation: Prozessführung
Downstream-Prozess
Produkt‑, Zellabtrennung; Zellaufschluss	intrazelluläres bzw. extrazelluläres Produkt
Produktreinigung, Kontrolle	Reinheit; Aktivität
Prozessziele	Literaturrecherche
Biomasseproduktion	Backhefe
Produktion von Stoffwechselprodukten	Ethanol, Antibiotika, Enzyme
Biotransformation	Steroide, Vitamin C
Abbau umweltbelastender Substanzen	Abwasserreinigung

BPE 15.2

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

Reaktionsraum, Regelung
Steriles Arbeiten, Sicherheit
Rührwerk: Durchmischung
Zulaufsysteme: Nährstoffe, Korrekturmittel	Inokulation, Nachfütterung
pO₂-Sonde, Belüftungssystem: Luft-Zufuhr, Durchmischung, Regelung	Rotameter, Rührerdrehzahl
Schaumsonde, Antischaummittelvorlage
Temperatursonde, Heiz- und Kühlvorrichtung
Abluftrohr, ‑kühler, ‑filter
pH-Sonde, Korrekturmittelvorlage mit Säure- bzw. Base-Pumpe
Probenentnahmesystem	komplexe Regelgrößen

BPE 15.3

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen verschiedene Bioreaktortypen.

Rührkesselreaktor, Festbettreaktor
Vergleichskriterien: Durchmischung, Scherkräfte, suspendierte oder fixierte Biokatalysatoren	Festbettreaktor: Ausbildung von Konzentrationsgradienten
Fixierter Biokatalysator: Immobilisierung	Calcium-Alginat-Versuch
Adsorption, kovalente Bindung, Vernetzung, Polymer-Einschluss
Vorteile: Biokatalysatorstabilität, Katalysator-Wiedergewinnung	kontinuierliche Prozessführung

BPE 15.4

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

Misch‑, Reinkultur, Stoffwechseleigenschaften	genetische Homogenität
Nährmedienparameter	vgl. BPE 6
pH-Wert, puffernde Substanzen
C‑, O‑, H‑, N‑, P‑, S-Quellen, Energiequelle: Konzentration, Verfügbarkeit	N, P und S in Salzen
pH-Wert, Temperatur, gelöster Sauerstoff
Nährmedienklassen
komplex, definiert	Ökonomie, Reproduzierbarkeit
selektiv, differenzierend	Antibiotikaresistenz
induktiv	Genregulation, vgl. BPE 8

BPE 15.5

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

Hitzesterilisation: trocken, feucht	Autoklavieren
Filtersterilisation
Bildung unerwünschter Stoffe	Begleitalkohole
Wachstumshemmung des Produktionsstammes	Nährstoffkonkurrenz

BPE 15.6

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

Anlauf‑, exponentielle, stationäre und Absterbe-Phase mit Übergangsphasen	lag-Phase, log-Phase
Batch, Fed-Batch, Kontinuierlich
Auswahlkriterien
Produktionsorganismus: mechanische, genetische Stabilität; Sterilitätsanforderungen
Produkt-Ausbeute
Toxizität von Nebenprodukten

BPE 15.7

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

Zellen, Biomasse: OD, Zellmasse, Zellzahl	XY-Zeitverlaufsdiagramme; halblogarithmisch
Konzentration der Nährmedienbestandteile	Stoffmengenkonzentration und Massenanteile
Konzentration der Produkte und Nebenprodukte
pH-Wert, pO₂

BPE 15.8

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

Messen, Vergleichen, Stellen: Konstanz einer Regelgröße	geschlossener Wirkungsablauf, negative Rückkopplung
XY-Zeitverlaufsdiagramme
Einschleifiger Regelkreis: pO₂, pH-Wert, Temperatur
Regelgröße, Störgröße, Messglied, Ist-Wert, Führungsgröße: Sollwert, Regler, Ist-Sollwert-Differenz (Stellwert), Stellgröße, Stellglied

BPE 15.9

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

Zellernte bei intrazellulärem, Zellseparation bei extrazellulärem Produkt: Zentrifugation, Filtration
Gewinnung, Reinigung bei intrazellulärem bzw. extrazellulärem Produkt
Zellaufschluss bei intrazellulärem Produkt
chemisch	Detergentien
enzymatisch	Lysozym
mechanisch	Ultraschall, Druckänderung
Abtrennung von Zelltrümmern, präzipitierten Zellinhaltsstoffen: Zentrifugation, Filtration	DNA-Isolation, Plasmidisolation

BPE 15.10

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

Stationäre, mobile Phase
Trennverfahren nach Größe, Form, Masse, Ladung, Polarität, Affinität
Säulenchromatografie	vgl. BPE 6
prinzipielle Schritte: Equilibrierung, Probenauftrag, Waschen, Elution, Regeneration
Aufbau: Säule mit stationärer Phase; Detektions‑, Sammelsystem	Fritte, Matrix; Durchflussfotometer, Fraktionssammler
Gelfiltration, Affinitätschromatografie	vgl. BPE 3 – 4
Retention, Retentionszeiten, Detektorsignal, Peak	Peakhöhe und Peakbreite

BPE 15.11

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

Gelaufbau, Bedeutung der Puffer; Protein-Laufverhalten, Proteinnettoladung	vgl. BPE 12
PAGE: native Proteine	Polyacrylamidgelelektrophorese
SDS-PAGE: denaturierte Proteine
Hitze, SDS: Denaturierung, Ladung	Sodiumdodecylsulfat, Detergenz
Reduktionsmittel: Disulfidbrücken	2-Sulfanylethanol
Detektion: Proteinbanden, Elektropherogramm	Farbstoffe: Coomassie-Brilliant-Blau
Markerproteine, Molekülmassenstandard	Längenstandard, vgl. BPE 12
Konzentrations‑, Aktivitätsmessung; Standardlösungen	Fluorimetrie, Fotometrie, vgl. BPE 6

BPE 16	Laborübungen	32 (32)
Die Schülerinnen und Schüler lernen den praktischen Umgang mit einem Bioreaktor kennen und messen relevante Parameter der Prozessführung während eines Fermentationsprozesses. Sie vergleichen grundlegende Prozessführungsvarianten miteinander, erkennen den Einfluss bewusst gewählter Prozessparameter für die gewünschten Produktionsziele und vernetzen ihr Vorwissen zum Thema Energiestoffwechsel.

BPE 16.1

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

Fermentationsziele: Biomasse‑, Ethanol-Produktion, Nachweis von Pasteur‑, Crabtree-Effekt
Upstream-Prozess:
Hefe-Nährmedium; Korrekturmittel
Hitze‑, Filtersterilisation
Sonden-Kalibrierung
Prozessführung:
Prozessleitsystem
Rührerdrehzahl, Temperatur, pH-Wert, pO₂
Prozesskontrolle:
Probenentnahme
Wachstumskontrolle: Gesamtkeimzahlbestimmung mit Zählkammer, OD-Messung einschließlich Eichkurve, Lebendkeimzahlbestimmung mit Verdünnungen und Verdünnungsreihen	Vitalitätsfärbung mit Methylenblau, Einsatz eines Tabellenkalkulationsprogramms, vgl. Bioinformatik, Eingangsklasse
Substrat- und Produktkontrolle: fotometrischer Enzymtest: Glucose‑, Ethanol-Konzentration
Fermentationsverlaufsdiagramm

Operatorenliste

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

Anforderungsbereiche
Anforderungsbereich I umfasst das Wiedergeben von Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten Zusammenhang, das Beschreiben und Anwenden gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen in einem wiederholenden Zusammenhang.
Anforderungsbereich II umfasst das selbstständige Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen bekannter Sachverhalte unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten Zusammenhang, das selbstständige Übertragen des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen mit veränderten Fragestellungen, mit veränderten Sachzusammenhängen oder mit abgewandelten Verfahrensweisen.
Anforderungsbereich III umfasst das planmäßige Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbstständigen Gestaltungen bzw. Deutungen, Folgerungen, Begründungen und Wertungen zu gelangen; dabei werden aus den gelernten Denkmethoden bzw. Lösungsverfahren diejenigen, die zur Bewältigung der Aufgaben geeignet sind, selbstständig ausgewählt und einer neuen Problemstellung angepasst.
(vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biotechnologie des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg i. d. F. vom 30.11.2003)

Operator	Definition	Zuordnung AFB
ableiten	auf der Grundlage wesentlicher Merkmale sachgerechte Schlüsse ziehen	II, III
analysieren, untersuchen	wichtige Bestandteile oder Eigenschaften auf eine bestimmte Fragestellung hin herausarbeiten. Untersuchen beinhaltet gegebenenfalls zusätzlich praktische Anteile	II, III
angeben, nennen	Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen	I
auswerten	Daten, Einzelergebnisse oder andere Elemente in einen Zusammenhang stellen und gegebenenfalls zu einer Gesamtaussage zusammenführen	II
begründen	Sachverhalte auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten bzw. kausale Beziehungen von Ursachen und Wirkung zurückführen	II, III
beschreiben	Strukturen, Sachverhalte oder Zusammenhänge strukturiert und fachsprachlich richtig mit eigenen Worten wiedergeben	I, II
beurteilen	zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen	III
bewerten	einen Gegenstand an erkennbaren Wertkategorien oder an bekannten Beurteilungskriterien messen	III
darstellen	Sachverhalte, Zusammenhänge, Methoden etc. strukturiert und gegebenenfalls fachsprachlich wiedergeben	I, II
deuten, interpretieren	fachspezifische Zusammenhänge in Hinblick auf eine gegebene Fragestellung begründet darstellen	II, III
diskutieren, erörtern	Argumente und Beispiel zu einer Aussage oder These einander gegenüberstellen und abwägen	III
erklären	einen Sachverhalt auf Regeln und Gesetzmäßigkeiten zurückführen sowie ihn nachvollziehbar und verständlich machen	II, III
erläutern	einen Sachverhalt veranschaulichend darstellen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen	II, III
ermitteln	einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren	II, III
Hypothese aufstellen, Hypothese entwickeln	begründete Vermutung auf der Grundlage von Beobachtungen, Untersuchungen, Experimenten oder Aussagen formulieren	III
protokollieren	Beobachtungen oder die Durchführung von Experimenten detailgenau zeichnerisch einwandfrei bzw. fachsprachlich richtig wiedergeben	I
prüfen, überprüfen	Sachverhalte oder Aussagen an Fakten oder innerer Logik messen und eventuelle Widersprüche aufdecken	II, III
skizzieren	Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduziert übersichtlich grafisch darstellen	I, II
Stellung nehmen	zu einem Gegenstand, der an sich nicht eindeutig ist, nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung ein begründetes Urteil abgeben	III
vergleichen	Gemeinsamkeiten, Ähnlichkeiten und Unterschiede ermitteln	II
zeichnen	eine möglichst exakte grafische Darstellung beobachtbarer oder gegebener Strukturen anfertigen	I
zusammenfassen	das Wesentliche in konzentrierter Form herausstellen	II

vgl. Einheitliche Prüfungsanforderungen in der Abiturprüfung Biologie der KMK i. d. F. vom 05.02.2004

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