Bildungsplan für das berufliche Gymnasium der dreijährigen Aufbauform. Band 2 Berufsbezogene Fächer

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1 Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Ausgabe C LEHRPLANHEFTE REIHE I Nr. 31 Bildungsplan für das berufliche Gymnasium der dreijährigen Aufbauform Band 2 Berufsbezogene Fächer Biotechnologische Richtung (BTG) Heft 1 Biotechnologie Eingangsklasse Jahrgangsstufen 1 und 2 3. September 2007 Lehrplanheft 2/2007 NECKAR-VERLAG Landesinstitut für Schulentwicklung Fachbereich /Gue/ru L 06/3444

2 Inhaltsverzeichnis 1 Inkraftsetzung 2 Vorbemerkungen 3 Lehrplanübersicht Auf den Inhalt des Hefts Allgemeine Aussagen zum Bildungsplan wird besonders hingewiesen: Vorwort Hinweise für die Benutzung Der Erziehungs- und Bildungsauftrag der beruflichen Schulen Der besondere Erziehungs- und Bildungsauftrag für das berufliche Gymnasium Verzeichnis der Lehrplanhefte für das berufliche Gymnasium Band 1 Allgemeine Fächer Verzeichnis der Lehrplanhefte für das berufliche Gymnasium Band 2 Berufsbezogene Fächer Impressum Kultus und Unterricht Ausgabe C Herausgeber Lehrplanerstellung Verlag und Vertrieb Bezugsbedingungen Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Lehrplanhefte Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg; Postfach , Stuttgart Landesinstitut für Schulentwicklung, Fachbereich Bildungspläne, Rotebühlstraße 131, Stuttgart, Fernruf Neckar-Verlag GmbH, Klosterring 1, Villingen-Schwenningen Die fotomechanische oder anderweitig technisch mögliche Reproduktion des Satzes bzw. der Satzanordnung für kommerzielle Zwecke nur mit Genehmigung des Verlages. Die Lieferung der unregelmäßig erscheinenden Lehrplanhefte erfolgt automatisch nach einem festgelegten Schlüssel. Der Bezug der Ausgabe C des Amtsblattes ist verpflichtend, wenn die betreffende Schule im Verteiler vorgesehen ist (Verwaltungsvorschrift vom 8. Dezember 1993, K.u.U S. 12). Die Lehrplanhefte werden gesondert in Rechnung gestellt. Die einzelnen Reihen können zusätzlich abonniert werden. Abbestellungen nur halbjährlich zum 30. Juni und 31. Dezember eines jeden Jahres schriftlich acht Wochen vorher beim Neckar- Verlag, Postfach 18 20, Villingen-Schwenningen. Das vorliegende LPH 2/2007 erscheint in der Reihe I Nr. 31 und kann beim Neckar- Verlag bezogen werden.

3 Biotechnologie (BTG) 1 Amtsblatt des Ministeriums für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Stuttgart, 3. September 2007 Lehrplanheft 2/2007 Bildungsplan für das berufliche Gymnasium; hier: Berufliches Gymnasium der dreijährigen Aufbauform Vom 3. September /109 I. II. Für das berufliche Gymnasium gilt der als Anlage beigefügte Lehrplan. Der Lehrplan tritt für die Eingangsklasse mit Wirkung vom 1. August 2007, für die Jahrgangsstufe 1 am 1. August 2008, für die Jahrgangsstufe 2 am 1. August 2009 in Kraft.

4 2 Biotechnologie (BTG) Vorbemerkungen Das berufliche Gymnasium biotechnologischer Ausrichtung fördert die allgemeine Studierfähigkeit der Schülerinnen und Schüler und bereitet auf dieser Grundlage auf die technologischen, wissenschaftlichen und gesellschaftlichen Anforderungen der Arbeitswelt vor. Dem besonderen berufsspezifischen Bildungsauftrag wird durch den Verbund mit den profilgebenden Fächern Bioinformatik, Sondergebiete der Biowissenschaften und Chemie Rechnung getragen. Das Praktikum vertieft die theoretischen Inhalte und vermittelt den Schülerinnen und Schülern besondere Einblicke in wissenschaftliches und berufsbezogenes Handeln durch Planung, Durchführung und Auswertung von Experimenten unter der Einhaltung von vorgegebenen Sicherheitsstandards. Lerngänge geben zusätzlich Einblick in neueste Erkenntnisse biochemischer Forschung und deren biotechnologischer Umsetzung. Die durchgehende Betonung ökologischer und ethischer Fragestellungen hilft den Schülerinnen und Schülern Potenziale biotechnologischer Perspektiven einzuordnen und verantwortungsbewusst an gesellschaftspolitischen Diskussionen teilzunehmen. Die Biotechnologie zählt zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Sie ist bereits heute ein Industriezweig von enormer wirtschaftlicher Bedeutung. Biotechnologische Methoden werden in der Medizin, der Lebensmittelindustrie, der Rohstoffgewinnung, der chemischen und pharmazeutischen Industrie sowie im Agrarsektor angewendet. Die Absolventinnen und Absolventen des Biotechnologischen Gymnasiums werden zielgerichtet auf Studiengänge sowie auch auf einschlägige Berufsausbildungen in diesem innovativen Feld der Wirtschaft vorbereitet. Im Profilfach Biotechnologie werden die Schülerinnen und Schüler mit Methoden zur Erkenntnisgewinnung, grundlegenden Prinzipien der Natur und deren Umsetzung in die technische Anwendung vertraut gemacht. Schwerpunkte bilden dabei die Mikrobiologie, Molekularbiologie, Stoffwechselphysiologie, Bioverfahrenstechnik und Medizin. Der interdisziplinäre Charakter der Biotechnologie wird durch die Abstimmung der Inhalte mit den weiteren profilgebenden Fächern Bioinformatik und Chemie verdeutlicht und soll durch Fächer übergreifende Unterrichtsprojekte besonders betont werden. Fortschritte in der Medizin, Lebensmittelproduktion und Umwelttechnik, der Landwirtschaft, Gentechnik und Reproduktionsbiologie bringen ökonomische, ökologische und ethische Fragestellungen mit sich. Im Unterricht gewonnene Erkenntnisse sollen die Schülerinnen und Schüler in die Lage versetzen, sich kompetent und verantwortlich an Diskussionen um solche Fragestellungen beteiligen zu können und gegebenenfalls zukünftig an Entscheidungsprozessen in der Gesellschaft mitzuwirken. Nur in der möglichst direkten Verbindung von Theorie und erlebter Praxis sind die zahlreichen anwendungsbezogenen Inhalte des Faches Biotechnologie anschaulich vermittelbar. Ausgewählte Lernziele werden in der Eingangsklasse und in den Jahrgangsstufen 1 und 2 im Praktikum erreicht. Dort werden die Schülerinnen und Schüler außerdem zu genauem Beobachten, Ausdauer, zum sachgerechten Umgang mit technischen Geräten, zum Protokollieren, Auswerten und Präsentieren hingeführt. Gerade in der Mikrobiologie ist ein erfolgreiches Experimentieren vom Einhalten allgemeiner Laborstandards abhängig. Durch den sachgemäßen Umgang mit Mikroorganismen, mit Chemikalien und Geräten werden auch Aspekte der Sicherheit und Umwelt vermittelt. Insbesondere gilt dies bei der Durchführung gentechnischer Experimente auf S1-Niveau.

5 Biotechnologie (BTG) 3 Lehrplanübersicht Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert Gesamtstunden Seite Eingangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 30 5 klasse 1 Bedeutung von Mikroorganismen Die Zelle als Basiseinheit der Biotechnologie Praktikum Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 60 Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 30 9 stufe 1 4 Vergleich der Weitergabe und Realisation der genetischen 20 9 Information 5 Grundlagen der Gentechnik Nutzung der Gentechnik in der Medizin Reproduktionsbiologie Anwendung gentechnischer Methoden bei Nutzpflanzen und Nutztieren 9 Praktikum Durchführung eines S1-Experiments Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung Jahrgangs- Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) stufe 2 10 Biotechnische Produktion Umweltbiotechnologie Praktikum Durchführung einer Fermentation Wahlthemen* Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung * Ein Wahlthema ist auszuwählen.

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7 Biotechnologie (BTG) 5 Eingangsklasse Zeitrichtwert Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 30 Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert. Z. B. Projekt, Exkursion, Schülerexperiment, Betriebsbesichtigung, Neue Methoden Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden Lehrplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen. Z. B. Stationenlernen, Gruppenpuzzle 1 Bedeutung von Mikroorganismen 15 Die Schülerinnen und Schüler stellen Biotechnologie als Nutzung natürlicher Vorgänge dar und zeigen die Bedeutung von Mikroorganismen in der Natur auf. Arbeitsgebiete Nahrungsmittel Medizin technische Anwendungen Methoden Fermentation Gentechnik Ökologisches Gleichgewicht modellhaft in einem Ökosystem Mind-Map Bier, Wein, Käse, Sauerteig Begriffsabgrenzung zur Biotechnologie Fließgewässer, See, Wald, Modellökosystem, Computersimulation 2 Die Zelle als Basiseinheit der Biotechnologie 110 Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden Zellen durch lichtmikroskopische Untersuchungen und schließen aus der Ultrafeinstruktur der Zelle auf ihre Funktion. Sie zeigen den Zusammenhang zwischen Bau und Funktion biologischer Membranen auf. Aus dem Aufbau und der Struktur von Proteinen leiten sie deren zellulären Aufgaben ab. Wirkungsprinzip und Arbeitsweise von Biokatalysatoren beschreiben sie modellhaft und erläutern ihre Beeinflussbarkeit. Die Schülerinnen und Schüler führen enzymkinetische Experimente durch, werten sie mit biometrischen Methoden aus und interpretieren die Versuchsergebnisse. Sie beschreiben den chemischen Aufbau von Nukleinsäuren sowie das Prinzip der Längenbestimmung und Quantifizierung von DNA. Bei Prokaryoten stellen sie die Weitergabe und Realisierung der genetischen Information dar. Bau und Handhabung des Lichtmikroskops Färbetechnik Procyte Eucyte Pilze, Algen, Tier- und Pflanzenzelle Methylenblau-, Gramfärbung Form, Begeißelung, Kapselbildung Hefen

8 6 Biotechnologie (BTG) Bau des Elektronenmikroskops Interpretation elektronenoptischer Bilder Bedeutung der Kompartimente und Membranstrukturen Endosymbiontentheorie Modell der Biomembran Membranlipide und -proteine Bau Eigenschaften Transportvorgänge Diffusion Osmose erleichterte Diffusion aktiver Transport Exo-, Endocytose Aminosäuren Eigenschaften der funktionellen Gruppen Peptidbindung Proteinstrukturen Aufgaben in der Zelle Katalysatorfunktion Substrat- und Wirkungsspezifität Aktives Zentrum Cofaktoren Qualitative und quantitative Abhängigkeit der Enzymaktivität von Temperatur ph-wert Enzym- und Substratkonzentration Effektoren Enzymhemmung Endprodukthemmung allosterische Hemmung kompetitive Hemmung Normalverteilung Mittelwerte und Streuung Regression Michaelis Menten Kinetik Aufbau, Vorkommen und Informationscharakter von DNA RNA Modell Fabrikanlage Fluid-Mosaik-Modell Abhängigkeit von Größe und Polarität der Teilchen Chromatographie Prionen Vitamine Katalase, Alkoholdehydrogenase Aktivatoren, Inhibitoren Reversibel, irreversibel Nur K m -Konstante mit Lineweaver-Burk- Diagramm, ohne Ableitung Avery und Griffith Chromosomal, extrachromosomal

9 Biotechnologie (BTG) 7 Restriktion Gelelektrophorese Fotometrie Replikation Meselson-Stahl-Experiment Proteinbiosynthese Transkription Translation Regulation der Genaktivität Substratinduktion Endprodukthemmung Effektoren Restriktionsenzyme Operonmodell Aktivatoren, Inhibitoren 3 Praktikum 25 Die Schülerinnen und Schüler begründen die Notwendigkeit von Sicherheitsmaßnahmen und wenden mikrobiologische Arbeitstechniken an. Sicherheitsbestimmungen Erste-Hilfe-Maßnahmen Gute Laborpraxis Sterilarbeitstechniken Autoklavieren Sterilfiltrieren Kultivierung von Mikroorganismen Zubereitung von Nährmedien Stressfaktoren Ansetzen einer Kultur Inkubation Lebendkeimzahlbestimmung Isolation von DNA chromosomal Plasmide Quantifizierung und Größenbestimmung eines Plasmids Fotometrie Restriktionsverdau Gelelektrophorese Merkblätter der Berufsgenossenschaften, Sicherheitsstufen Ampicillin Temperatur, Begasung Linearisiert Coiled, supercoiled, entspannt

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11 Biotechnologie (BTG) 9 Jahrgangsstufe 1 Zeitrichtwert Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 30 Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert. Z. B. Projekt, Fallstudie, Betriebsbesichtigung, Schülerexperiment, Neue Methoden Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden Lehrplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen. Z. B. Stationenlernen, Gruppenpuzzle 4 Vergleich der Weitergabe und Realisation der genetischen Information 20 Die Schülerinnen und Schüler stellen die Unterschiede zwischen der Weitergabe und Realisation der genetischen Information bei Pro- und Eukaryoten vergleichend dar. Sie erläutern inter- und intrazelluläre Kommunikation zur Regelung der Genexpression. Chromosomen homologe Feinbau der Chromosomen Mitose Zellzyklus Replikation Genexpression Transkription Initiationskomplex RNA-Processing Translation Ribosomenaufbau Posttranslationale Modifikation Primäres Signal Steroidhormone Metabolite Sekundäres Signal camp Karyogramm Transkriptosom: allgemeine und spezifische Transkriptionsfaktoren, Enhancer, Silencer, TATA-Box, RNA-Polymerase 5`-, 3`-Modifikation, Splicing Anabolika Arabinose (pglo)

12 10 Biotechnologie (BTG) 5 Grundlagen der Gentechnik 15 Die Schülerinnen und Schüler unterscheiden natürliche Wege der Genübertragung und stellen sie dar. Sie erläutern den Aufbau eines Expressionsvektors und beschreiben Methoden der künstlichen Genübertragung bei bakteriellen, pflanzlichen und tierischen Zellsystemen. F-,R-Plasmide T-Phagen lysogener und lytischer Zyklus Ti-Plasmid Pflanzenviren Retroviren Restriktionsenzyme Vektorsysteme Pro-, Eukaryotischer Expressionsvektor im Vergleich Ti-Vektor Retroviraler Vektor Physikalische, chemische, biologische Methoden Sensibilisierung für ethische Fragen DNA-Kanone, Elektroporation, Mikroinjektion, CaCl 2 -Methode, Liposomen, Viren 6 Nutzung der Gentechnik in der Medizin 35 Die Schülerinnen und Schüler erläutern die gentechnische Herstellung von natürlichen Proteinen als Medikamente durch heterologe Expression. Sie erläutern die Wirkungsweise der Körperabwehr und stellen die Nutzung von Immunoglobulinen in Therapie und Diagnostik dar. Gensuche genomische-, cdna-bibliothek Gensonden Blotting PCR Genanalyse Sanger-Sequenzierung Gendatenbanken DNA-Klonierung Restriktion Ligation Transformation Selektion Heterologe Expression Wirksamkeit Insulin, Erythropoietin Hybridisierung Prinzipielle Verfahrensschritte Auswahl des Wirtsorganismus

13 Biotechnologie (BTG) 11 Unspezifische und spezifische Immunabwehr humoral zellulär Immunoglobuline Vielfalt monoklonal, polyklonal Aktive und passive Immunisierung Klassische monoklonale Immunoglobulinproduktion Immunodetektion Rearrangement Spezifität Hybridomatechnik Nur ELISA 7 Reproduktionsbiologie 45 Die Schülerinnen und Schüler stellen die generative der vegetativen Fortpflanzung gegenüber und schätzen die Konsequenzen der Veränderung der genetischen Information ab. Sie erläutern Methoden der Reproduktionsbiologie und wägen die Aussagekraft diagnostischer Verfahren für genetische Analysen ab. Sie diskutieren über die ethischen Grenzen und Risiken moderner medizinischer Methoden und bewerten die gesellschaftliche Bedeutung der Anwendung diagnostischer Verfahren unter ethischen Gesichtspunkten. Meiose Rekombination Mutationen Genmutationen Chromosomenmutationen Genommutationen Mutagene Stammbaumanalysen Krebs Tumorsuppressorgene Protoonkogene Insemination In-vitro-Fertilisation Prä-Implantationsdiagnostik Embryonentransfer Prä-Nataldiagnostik Karyogramm Hybridisierung DNA-Typisierung RFLP STR Stammzellen Klonen Festgelegte Symbolik und Termini Leihmutterschaft Amniozentese, Chorionzottenbiopsie Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung Vaterschaftsnachweis Toti-, Pluripotenz, somatisch und embryonal, Tissue Engineering Embryosplitting, Dolly

14 12 Biotechnologie (BTG) Sensibilisierung für ethische Fragen der Reproduktionsmedizin Medizinethische Prinzipien Genetische Beratung Eugenikbegriff negative und positive Selektion Ethische Abwägung Kinderwunsch, Technisierung der Fortpflanzung, medizinische bzw. psychologische Risiken IVF, Stammzellen, Krebsmedizin, Klonen Aussagekraft, Handlungsoptionen PND, PID, Arbeitsplatz, Versicherung, Forensik 8 Anwendung gentechnischer Methoden bei Nutzpflanzen und Nutztieren 10 Die Schülerinnen und Schüler stellen Anwendungsgebiete für gentechnisch veränderte Nutzpflanzen und Nutztiere dar. Sie zeigen exemplarisch ökologische und ökonomische Auswirkungen auf und bewerten diese unter ethischen Gesichtspunkten. Herbizidresistenz Schädlingsresistenz Ertragssteigerung Beeinflussung der Lebensmittelqualität Genepharming Chancen, Risiken und Alternativen Technikfolgenabschätzung Technikfolgenbewertung Freisetzung von GVO`s Nachhaltigkeit Roundup-Ready Bt-Mais Zuchtlachs Golden Rice α-1-antitrypsin Gentransfer, Haftung Agenda 21 9 Praktikum Durchführung eines S1-Experiments 25 Die Schülerinnen und Schüler führen eine DNA-Klonierung durch. Sie wenden molekularbiologische Methoden an, werten diese aus und präsentieren die Ergebisse. Prinzipielle Verfahrensschritte Plasmidisolation Restriktion Gelelektrophorese Isolation des Fremdgens Ligation kompetente Zellen Transformation Selektion Einzeln oder zusammenhängend Blau-Weiß-Selektion, Antibiotikaresistenz Polymerase Kettenreaktion Primerauswahl DNA-Polymerase Temperaturprogramm Gelelektrophorese DNA-Typisierung

15 Biotechnologie (BTG) 13 Jahrgangsstufe 2 Zeitrichtwert Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 24 Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten Themen handlungsorientiert. Z. B. Projekt, Exkursion, Schülerexperiment, Betriebsbesichtigung, Neue Methoden Die Themenauswahl hat aus den nachfolgenden Lehrplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen. Z. B. Stationenlernen, Gruppenpuzzle 10 Biotechnische Produktion 77 Die Schülerinnen und Schüler stellen Bereiche der biotechnischen Produktion und deren ökonomische Bedeutung dar. Sie erläutern für die Fermentation grundlegende Stoffwechselvorgänge sowie die Verzahnung der Stoffwechselübergänge am Beispiel des Aminosäuremetabolismus. Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von Fermentern und beschreiben den Verfahrensablauf bei biotechnischen Prozessen. Sie beschreiben Fermentationsprozesse vergleichend und zeigen Optimierungsmöglichkeiten auf. Lebensmittel Arzneimittel Enzyme Biomasse Biotransformation Glykolyse Oxidative Decarboxylierung Citratzyklus Atmungskette Milchsäuregärung Alkoholische Gärung Vergleich der Energiebilanzen, Wirkungsgrad Fließgleichgewicht Enzymregulation Prinzip der Redoxreaktion Oxidationszahl Redoxpotenzial Elektronentransportkette Chemiosmotische Theorie Anhand von aktuellen Daten wie z. B. Produktionsvolumen, Umsatz, Arbeitsplätze Multienzymkomplex Enzymsynthese, Enzymaktivität Transaminierung Desaminierung

16 14 Biotechnologie (BTG) Fermentertypen suspendierte Biokatalysatoren Rührfermenter Blasenfermenter trägerfixierte Biokatalysatoren Regelkreis Regelparameter Temperatur ph Begasung Durchmischung Schaumbildung Abhängigkeiten zwischen den Regelparametern Messung und Regelung über ein Prozessleitsystem Schlaufenfermenter Festbettfermenter, Fließbettfermenter Kybernetische Begriffe Sauerstofftransportkoeffizient (K L a) Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Temperatur, Rührgeschwindigkeit, Nährmedium Fermentationsmedium komplexes Medium definiertes Medium Sterilisation Beimpfen Wachstumskontrolle Zellernte Zentrifugation Filtration Produktisolation nach Zellaufschluss aus Kulturmedium Produktreinigung Fällung Chromatographie Reinheitsprüfung durch PAGE Prozessführung kontinuierlich Batch Immobilisierung

17 Biotechnologie (BTG) Umweltbiotechnologie 15 Die Schülerinnen und Schüler erläutern Reinigungsziele und Reinigungsstufen einer Kläranlage. Abwassercharakterisierung kommunales Abwasser industrielles Abwasser Aufbau und Funktion einer dreistufigen Kläranlage mechanische Reinigung biologische Reinigung chemische Reinigung Messgrößen Grenzwerte CSB, BSB 5 BSB 5 /CSB-Verhältnis Aerobe und anaerobe Abbaureaktionen durch Mischkulturen organische Stoffe Nitrifikation, Denitrifikation Biogasgewinnung Eutrophierung Nur für kommunales Abwasser Grob- und Feinrechen, Fettfang, Sandfang Belebtschlammbecken, Faulturm, Nachklärbecken Fällung Relative Aussagekraft der Messgrößen 12 Praktikum Durchführung einer Fermentation 20 Die Schülerinnen und Schüler setzen eine Fermentation in einem autoklavierbaren, prozessgesteuerten Bioreaktor an und führen die technische Steuerung einer Fermentation durch. Sie verfolgen einen Fermentationsprozess in Abhängigkeit von der Zeit und reinigen ein Protein aus einem Proteingemisch auf. Ansetzen von Nährmedien Berechnung von Stoffmengenkonzentrationen Sterilisieren Beimpfen Prozessleitung Probennahme und Analytik Wachstumskurve, Generationszeit Biotrockenmasse Fotometrie Lambert-Beer sches Gesetz Auswertung und Präsentation Verdünnungsreihe, optische Dichte Enzymatische Tests Reinigung mittels Chromatographie Reinheitsprüfung mittels PAGE

18 16 Biotechnologie (BTG) 13 Wahlthemen 8 Microarrays Gentherapie Biosensoren Proteomics Epidemiologie Moderne biotechnologische Verfahren im Umweltschutz