Einheitliche Prüfungsanforderungen Abitur (EPA) Biotechnologie

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Einheitliche Prüfungsanforderungen
Biotechnologie
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EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Inhaltsverzeichnis
I Fachpräambel 3
1. Prüfungsinhalte
1.1 Fachliche und methodische Qualifikationen 4
1.2 Fachliche Inhalte 5
2. Anforderungsbereiche
2.1 Allgemeine Hinweise 6
2.2 Fachspezifische Beschreibung der Anforderungsbereiche 6
3. Schriftliche Prüfung
3.1 Aufgabenarten 8
3.2 Allgemeine Hinweise zur Materialauswahl 9
3.3 Hinweise zur Erstellung von Prüfungsaufgaben 9
3.4 Hinweise zum Lösungsvorschlag 10
3.5 Bewerten von Prüfungsleistungen 10
4. Mündliche Prüfung
4.1 Aufgabenstellung und Durchführung 10
4.2 Kriterien der Bewertung 11
II Aufgabenbeispiele
1 Aufgabenbeispiele für die schriftliche Prüfung 12
1.1 Erläuterungen 12
1.2 Beispiele für das Profilfach 13
2 Aufgabenbeispiele für die mündliche Prüfung 34
2.1 Erläuterungen 34
2.2 Beispiele für das Profilfach 34
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I Fachpräambel
Die Vereinbarung zur Gestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II (Beschluss
der Kultusministerkonferenz vom 07.07.1972 in der Fassung vom 16.06.2000) beschreibt
die grundlegenden Anforderungen an den Unterricht im mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen
Aufgabenfeld:
„Im mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen Aufgabenfeld sollen Verständnis der
Abstraktion, die Fähigkeit zu logischem Schließen, Sicherheit in einfachen Kalkülen, Einsicht
in die Mathematisierung von Sachverhalten, in die Besonderheiten naturwissenschaftlicher
Methoden, in die Entwicklung von Modellvorstellungen und deren Anwendung auf die belebte
und unbelebte Natur und die Funktion naturwissenschaftlicher Theorien vermittelt werden.“
Wie im Gutachten zur Vorbereitung des Programms „Steigerung der Effizienz des mathematisch-naturwissenschaftlichen
Unterrichts“ der Bund-Länder-Kommission für Bildungsplanung
und Forschungsförderung (Materialien zur Bildungsplanung und Forschungsförderung, Heft
60, Bonn, 1997) gefordert, berücksichtigt das Fach Biotechnologie die Lebenswelt des Schülers.
Es weckt anhand aktueller Fragestellungen und durch selbst durchgeführte Experimente
das Interesse der Schüler/innen an Naturwissenschaften. Computergestützte Messwerterfassung
und Computersimulationen schulen den Umgang mit neuen Medien. Grundlagenwissen
aus der Biologie, Chemie, Mathematik, Physik und Technik ist erforderlich, um fachspezifische
Problemstellungen lösen zu können. Damit wird der Forderung nach einem fächerübergreifenden
Unterricht zur Erlangung der Allgemeinen Hochschulreife entsprochen,
der den Aufbau strukturierten Wissens stützt, den Blick für Zusammenhänge sichert und die
dafür notwendigen Arbeitsformen fördert. Durch das Abwägen gegensätzlicher Argumente
auf der ethischen, ökologischen und ökonomischen Ebene schafft das Fach Biotechnologie
die Grundlagen für ein fachlich fundiertes Urteilen und verantwortungsvolles Teilnehmen am
gesellschaftlichen Leben.
Zur Sicherung eines einheitlichen und angemessenen Anforderungsniveaus in den Prüfungsaufgaben
enthalten die Einheitlichen Prüfungsanforderungen für das Fach Biotechnologie
• eine Beschreibung der Prüfungsgegenstände, d.h. der in diesem Fach nachzuweisenden
Kompetenzen sowie der fachlichen Inhalte, an denen diese Kompetenzen eingefordert
werden sollen,
• Kriterien, mit deren Hilfe überprüft werden kann, ob eine Prüfungsaufgabe das angestrebte
Anspruchsniveau erreicht,
• Hinweise und Aufgabenbeispiele für die Gestaltung der schriftlichen und mündlichen Prüfung.
Damit soll sichergestellt werden, dass in den geforderten Leistungen ein breites Spektrum
allgemeiner und fachspezifischer Qualifikationen angesprochen wird und Kenntnisse aus bestimmten
Lern- und Prüfungsbereichen in den Abituraufgaben enthalten sind. Eine einzelne
Abituraufgabe wird nur ausgewählte Qualifikationen und Inhalte überprüfen können.
Als Hilfsmittel zur Erstellung von Prüfungsaufgaben dient die Beschreibung der Anforderungsbereiche:
Reproduktion, Reorganisation und Transfer sowie Problem lösendes Denken.
Mit ihrer Hilfe werden Prüfungsinhalte auf der Grundlage des Lehrplanes ausgewählt und
Prüfungsaufgaben erstellt.
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1. Prüfungsinhalte
1.1 Fachliche und methodische Qualifikationen
Durch den Unterricht im Fach Biotechnologie werden allgemeine fachliche und fachspezifische
Qualifikationen vermittelt. Beide sollen in der Abiturprüfung festgestellt und bewertet
werden. Sie werden hier ohne Unterscheidung von Schwierigkeitsgraden und ohne
Anspruch auf Vollständigkeit im Folgenden aufgeführt. Überschneidungen sind dabei
möglich.
Fachliche Qualifikationen, die in der Abiturprüfung nachgewiesen werden sollen, sind im
Wesentlichen:
• Ein strukturiertes Basiswissen biotechnologischer Vorgänge
• Anwenden von biologischem und biochemischem Grundwissen auf biotechnologische
Fragestellungen
• Fächerübergreifende Darstellung naturwissenschaftlicher Zusammenhänge
• Aufzeigen der historischen Entwicklung der Biotechnologie
• Kenntnis und sachgerechte Anwendung der einschlägigen Fachsprache
• Darstellen von Ergebnissen in Form von Tabellen, Diagrammen und Abbildungen
• Interpretieren von Materialien (z.B. Texte, Diagramme, Tabellen, Reaktionsschemen
und Übersichten)
• Auflösen komplexer Strukturen und Sachverhalte in überschaubare Einheiten
• Kennen und Anwenden von Modellvorstellungen unter Berücksichtigung ihrer
Grenzen
• Planen und Auswerten von Experimenten unter fachspezifischen Fragestellungen
• Aufstellen und Überprüfen von Hypothesen
• Analysieren biotechnischer Prozesse unter regeltechnischen Gesichtspunkten
• Erkennen und Bewerten des ökonomischen Potenzials biotechnischer Produktionsprozesse
• Darstellen von Zusammenhängen zwischen biotechnologischer Forschung und
der Entwicklung der Zivilisation einerseits sowie der Erhaltung der Lebensgrundlage
andererseits
• Erörtern der Notwendigkeit gesellschaftspolitischer Diskussionen mit dem Ziel,
einen Konsens über Grenzen biotechnologischer Entwicklungen zu erreichen
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1.2 Fachliche Inhalte
Grundlage für die Abiturprüfung im Fach Biotechnologie sind im Wesentlichen die folgenden
Themenbereiche:
• Molekularbiologie
o Speicherung und Weitergabe der genetischen Information
o Realisation der genetischen Information
o Inter- und intrazelluläre Kommunikation
• Grundlagen der Gentechnik
o Natürliche Wege der Genübertragung
o Methoden der künstlichen Genübertragung
• Nutzung der Gentechnik in der Medizin
o Gentechnische Herstellung von Medikamenten
o Immunbiologie
o Gentherapie
• Reproduktionsbiologie
o Generative und vegetative Vermehrung
o Konsequenzen der Veränderung genetischer Information
o Methoden der Reproduktionsbiologie
o Diagnostische Verfahren und ihre Konsequenzen
o Genetische Beratung
• Optimierung von Nutzorganismen durch gentechnische Methoden
o Ziele der Optimierung
o Ethische, ökonomische und ökologische Bewertung
• Biotechnische Produktion
o Stoffwechsel
o Fermentation
• Umweltbiotechnologie
o Nachhaltiges Wirtschaften
o Umweltsanierung
• Praktikum
o Trennverfahren
o DNA-Typisierung
o Polymerase-Kettenreaktion
o DNA-Klonierung
o Prozessgesteuerte Fermentation
2. Anforderungsbereiche
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2.1 Allgemeine Hinweise
Die Aufgaben der Abiturprüfung sollen Qualifikationen in möglichst großer Breite überprüfen.
Um Einseitigkeit in der Art der Anforderungen zu vermeiden, werden folgende Anforderungsbereiche
unterschieden:
• Anforderungsbereich A – Reproduktion
• Anforderungsbereich B – Reorganisation und Transfer
• Anforderungsbereich C – Problem lösendes Denken
Die Anforderungsbereiche dienen als Hilfsmittel, die Aufgabenstellung und die Bewertung
durchschaubar und besser vergleichbar zu machen. Eine Prüfungsaufgabe soll sich auf
alle drei beschriebenen Anforderungsbereiche erstrecken. Sie erreicht dann ein angemessenes
Niveau, wenn das Schwergewicht der zu erbringenden Prüfungsleistungen im
Anforderungsbereich B liegt. Daneben sollen die Anforderungsbereiche A und C berücksichtigt
werden, und zwar Anforderungsbereich A in deutlich höherem Maße als Anforderungsbereich
C.
2.2 Fachspezifische Beschreibung der Anforderungsbereiche
Anforderungsbereich A umfasst:
• Wiedergeben von Sachverhalten aus einem abgegrenzten Gebiet im gelernten
Zusammenhang.
• Beschreiben und Anwenden gelernter und geübter Arbeitstechniken und Verfahrensweisen
in einem wiederholenden Zusammenhang.
Zum Beispiel:
• Wiedergeben von Daten, Fakten, Regeln, Formeln, Definitionen, u.a.
• Beschreiben von Diagrammen
• Beschreiben von Experimenten
• Umsetzen von Daten, Tabellen oder Abbildungen in die Fachsprache
• Wiedergeben von Hypothesen und Theorien
• Wiedergeben von erörterten Fragestellungen, Zusammenhängen und Prozessen
• Wiedergeben von Problemstellungen aus vorgegebenem Material
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Anforderungsbereich B umfasst:
• Selbständiges Auswählen, Anordnen, Verarbeiten und Darstellen bekannter
Sachverhalte unter vorgegebenen Gesichtspunkten in einem durch Übung bekannten
Zusammenhang
• Selbständiges Übertragen des Gelernten auf vergleichbare neue Situationen, wobei
es entweder um veränderte Fragestellungen oder um veränderte Sachzusammenhänge
oder um abgewandelte Verfahrensweisen gehen kann
Zum Beispiel:
• Interpretieren von Tabellen und grafischen Darstellungen
• Erklären und Bewerten von Versuchsergebnissen
• Erläutern einer Problemstellung und von Lösungsansätzen mit Hilfe bekannter
Theorien und Modellen
• Anwenden von behandelten Theorien und Hypothesen auf analoge Fragestellungen
• Strukturiertes Darstellen von komplexen fachspezifischen Zusammenhängen
• Planen und Gestalten von Experimenten zur Beantwortung vorgegebener Fragestellungen
Anforderungsbereich C umfasst:
Planmäßiges Verarbeiten komplexer Gegebenheiten mit dem Ziel, zu selbständigen
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, selbständig ausgewählt und
einer neuen Problemstellung angepasst.
Zum Beispiel:
• Selbständiges Entwickeln von Arbeitshypothesen aus Versuchsergebnissen
• Entwickeln einer Arbeitshypothese aufgrund eines Gedankenexperiments mit
neuer Problemstellung
• Entwickeln von Handlungsstrategien zur Bearbeitung einer konkreten Problemstellung
• Argumentative Gegenüberstellung verschiedener Positionen zu wissenschaftlichen
Sachverhalten
• Methodenkritisches Erörtern von verwendeten Arbeitsverfahren
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3. Schriftliche Prüfung
3.1 Aufgabenarten
Eine Prüfungsaufgabe kann entweder aus einem einzigen thematischen Schwerpunkt
bestehen oder auch aus mehreren zusammengesetzt sein.
Besteht die Prüfungsaufgabe aus mehreren thematisch verschiedenen Aufgaben, so soll
die Anzahl der zu bearbeitenden Aufgaben so begrenzt werden, dass mit jeder Aufgabe
eine selbständige, anspruchsvolle Prüfungsleistung möglich ist.
Für die Prüfung im Fach Biotechnologie sind folgende fachspezifische Aufgabenarten
geeignet:
• Materialaufgaben
Auswerten und Bearbeiten von Material (z.B. Texte, Statistiken, Diagrammen,
Skizzen, Bilder), anhand dessen die vorgegebenen Sachverhalte darzustellen
und Problemstellungen zu analysieren sind. Die Materialien dürfen in diesem Zusammenhang
nicht im Unterricht verwendet worden sein.
• Themenaufgaben
Sachanalysen ohne Material, wobei vorgegebene Sachverhalte und Problemstellungen
anhand einer strukturierten Aufgabenstellung, unter Einbeziehung aller
fachspezifisch relevanten Aspekte, selbständig darzustellen, zu analysieren und
Problemlösungen abzuleiten sind.
Die Prüfungsaufgabe bezieht sich auf ein umfassendes Thema und sollte in den Teilaufgaben
das Prüfungsthema unter verschiedenen Aspekten erschließen. Die Aufgabe kann
ihren Schwerpunkt in einer Analyse, einem Vergleich oder einem Handlungsentwurf haben.
Die konkrete Formulierung der Prüfungsaufgabe muss Teilaufgaben aus beiden
Aufgabenarten enthalten. Die Teilaufgaben stehen in einem inneren Zusammenhang
können jedoch unabhängig voneinander gelöst werden.
Die Prüfungsaufgaben sollten in ihren Teilaufgaben über die verschiedenen Aufgabenarten
unterschiedliche Zugänge zu fachspezifischen Sachverhalten und Problemstellungen
ermöglichen. Dabei soll den Prüflingen die Möglichkeit eröffnet werden, verschiedene
Kenntnisse und Fähigkeiten zur Analyse, zur begründeten Stellungnahme und Problemlösung
zu nutzen.
Die Prüfungsaufgaben sollten gemäß der interdisziplinären Struktur des Faches derart
formuliert sein, dass biotechnologische Fragestellungen unter Einbeziehung anderer
Fachwissenschaften bearbeitet werden. Neben der Darstellung und Analyse von Sachzusammenhängen
muss auch eine begründete Entwicklung von Handlungsstrategien in
einer Teilaufgabe der Prüfungsaufgabe enthalten sein.
Aus der Formulierung der Aufgaben sollen Umfang und Art der geforderten Leistung klar
erkennbar sein.
Neben der Darstellung von Prüfungsleistungen in Textform können auch andere Darstellungsformen
von Sachverhalten und Problemlösungen gefordert werden, wie z.B. Mind
Map, Grafik, Tabelle, Skizze und Berechnungen. Die Erfüllung der verschiedenen Anforderungsbereiche
muss bei diesen Darstellungsformen angemessen berücksichtigt werden.
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3.2 Allgemeine Hinweise zur Materialauswahl
Die Materialauswahl kann aus der wissenschaftlichen Primär- und Sekundärliteratur, aus
Dokumentationen und Veröffentlichungen von Erhebungen oder aus einem Presseartikel
stammen. Sie muss mit der Quellenangabe zitiert sein. Das Material sollte nicht zu umfangreich
sein, damit die Erfassung der Aussagen keinen zu großen zeitlichen Raum
einnimmt. Aufbereitetes Material muss mit zeitgemäßen Darstellungsmitteln bereitgestellt
werden.
3.3 Hinweise zur Erstellung von Prüfungsaufgaben
Eine Prüfungsaufgabe für die schriftliche Abiturprüfung soll sich auf alle drei (Abschnitt
2.2) beschriebenen Anforderungsbereiche erstrecken. Sie erreicht dann ein angemessenes
Niveau, wenn das Schwergewicht der zu erbringenden Prüfungsleistungen im Anforderungsbereich
B liegt. Daneben sollen die Anforderungsbereiche A und C berücksichtigt
werden und zwar Anforderungsbereich A in deutlich höherem Maße als Anforderungsbereich
C.
Der Umfang der Prüfungsaufgaben muss der zur Verfügung stehenden Zeit entsprechen.
Die Aufgabenstellung soll immer eine fachwissenschaftlich fundierte, sachbezogene Argumentation
ermöglichen.
Jede auf ein Sachgebiet bezogene Prüfungsaufgabe kann in Teilaufgaben gegliedert
werden. Dabei muss die Wahl so erfolgen, dass eine prüfungsdidaktisch sinnvolle, selbständige
Leistung gefordert wird, ohne dass der Zusammenhang zur bisherigen Unterrichts-
und Klausurpraxis verloren geht.
Das Erstellen einer Prüfungsaufgabe, einschließlich des Abschätzens ihrer Angemessenheit,
lässt sich in folgender Weise vornehmen:
• Nach Auswahl der Sachgebiete, möglicher Experimente und Materialien und der
zu bearbeitenden Problemstellung werden die Aufgaben bzw. Teilaufgaben formuliert.
• Zu jeder Teilaufgabe werden in Stichworten die erwarteten Lösungsschritte beschrieben.
• Aufgrund des vorangegangenen, im Rahmen der einschlägigen Bestimmungen
erteilten Unterrichts, werden die zu erwarteten Lösungsschritte nach pädagogischem
Ermessen auf die Anforderungsbereiche A – C bezogen.
• Die erwarteten Teilleistungen zur Lösung einer Prüfungsaufgabe können eine unterschiedliche
Gewichtung erfahren. Diese berücksichtigt vorwiegend die zur Lösung
erforderlichen Einzelschritte und die für die Bearbeitung und Darstellung geschätzte
Zeit; sie beruht vornehmlich auf pädagogischer Erfahrung. Deshalb ist es
sinnvoll, den Anteil der einzelnen zu erbringenden Teilleistungen an der erwarteten
Gesamtleistung zu kennzeichnen.
• Die festgelegten Teilleistungen sollen nicht zu kleinschrittig bewertet werden.
Grundsätzlich können folgende Hilfsmittel zugelassen werden:
1. Elektronischer Taschenrechner
2. Zugelassene Formelsammlung
Der Einsatz weiterer Hilfsmittel ist anzugeben und zu begründen.
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3.4 Hinweise zum Lösungsvorschlag
Bei der Formulierung der Anforderungen der zu erwarteten Prüfungsleistung ist einerseits
darauf zu achten, dass nur das gefordert werden kann, was sich unter Berücksichtigung
der unterrichtlichen Voraussetzungen fachspezifisch aus der Materialvorlage bzw. dem
Thema ableiten lässt; andererseits ist zu bedenken, dass es gleichwertige andere Lösungswege
geben kann, die in diesen Angaben nicht erfasst sind.
3.5 Bewerten von Prüfungsleistungen
Das Beurteilen der erbrachten Prüfungsleistungen erfolgt unter Bezug auf die erwartete
Gesamtleistung. Zum Bewerten können die in Abschnitt 2.2 beschriebenen Anforderungsbereiche
herangezogen werden. Hierbei steht ein Beurteilungsspielraum zur Verfügung.
Werden zu einer gestellten Aufgabe Lösungen erbracht, die in der Beschreibung der erwarteten
Prüfungsleistungen nicht erfasst werden, so sind diese Leistungen als gleichwertig
zu berücksichtigen. Mangelhafte Gliederung, Fehler in der Fachsprache, Ungenauigkeiten
in Zeichnungen oder falsche Bezüge zwischen Zeichnungen und Text sind
als fachliche Fehler zu werten. Darüber hinaus sind schwerwiegende und gehäufte Verstöße
gegen die sprachliche Richtigkeit in der deutschen Sprache oder gegen die äußere
Form gemäß § 6 Abs. 5 letzter Satz der Vereinbarung über die Abiturprüfung der neugestalteten
gymnasialen Oberstufe – Beschluss der Kultusministerkonferenz vom
13.12.1973 in der jeweils gültigen Fassung – zu bewerten.
Die Festlegung der Schwelle zwischen den Noten „ausreichend“ und „mangelhaft“ und
die sich daraus ergebende Vergabe der weiteren Noten sind Setzungen, die in besonderem
Maße der pädagogischen Erfahrung unterliegen.
Bei Prüfungsaufgaben, die in mehrere voneinander unabhängige Teile gegliedert sind, ist
es notwendig, für diese Teile den jeweiligen Anteil an der erwarteten Gesamtleistung anzugeben.
Die Note „ausreichend“ soll nur erteilt werden, wenn annähernd die Hälfte (mindestens
vier Zehntel) der erwarteten Gesamtleistung erbracht worden ist. Oberhalb und unterhalb
dieser Schwelle sollen die Anteile der erwarteten Gesamtleistung den einzelnen Notenstufen
jeweils annähernd linear zugeordnet werden, um zu sichern, dass mit der Bewertung
die gesamte Breite der Skala ausgeschöpft werden kann.
4. Mündliche Prüfung
4.1 Aufgabenerstellung und Durchführung
Für die Aufgabenerstellung bei der mündlichen Prüfung gelten sinngemäß die Regelungen
der schriftlichen Abiturprüfung. Als Ausgangspunkt für die mündliche Prüfung dient
eine in mindestens zwei Themenbereiche gegliederte Aufgabenstellung. Diese ist dem
Prüfling zu Beginn der Vorbereitungszeit schriftlich vorzulegen.
Die mündliche Prüfung enthält zwei Komponenten: Im ersten Prüfungsteil erhält der Prüfling
Gelegenheit, sich zu der in der Vorbereitungszeit bearbeiteten Prüfungsaufgabe in
einem zusammenhängendem Vortrag zu äußern. Die Prüferin/ der Prüfer hält sich in diesem
ersten Prüfungsteil weitgehend zurück und greift nur ein, wenn dies ihm aus päda-
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gogischen und prüfungspsychologischen Gründen oder zur Klärung des Verständnisses
notwendig erscheint.
Im zweiten Prüfungsteil führt die Prüferin/ der Prüfer mit dem Prüfling ein Gespräch, das
über die im Vortrag zu lösende Aufgabe hinaus geht und größere fachliche Zusammenhänge
zum Gegenstand hat. Der Gesprächscharakter dieses Prüfungsteils bedingt, dass
seine Planung nur als offener Rahmen verstanden werden kann. Es soll festgestellt werden,
ob der Prüfling fähig ist, sein Wissen in einem Fachgespräch darzustellen und
Standpunkte sachgerecht und sprachlich angemessen zu vertreten.
In beiden Prüfungsteilen soll das Schwergewicht der zu erbringenden Prüfungsleistung
im Anforderungsbereich B liegen. Die Aufgabenstellung muss so angelegt sein, dass in
der Prüfung grundsätzlich jede Note erreichbar ist.
Inhaltlich darf die Aufgabenstellung für die mündliche Prüfung keine Wiederholung der
schriftlichen Prüfung sein.
Unterrichtsinhalte, die nach der schriftlichen Prüfung vermittelt wurden, sollen bei der
Aufgabenerstellung der mündlichen Prüfung berücksichtigt werden.
4.2 Kriterien der Bewertung
Bei der Bewertung der mündlichen Prüfungsleistungen gelten im Wesentlichen die gleichen
Grundsätze wie für die schriftliche Prüfung.
Dem Charakter einer mündlichen Prüfung entsprechend sollen neben einer sachgerechten
Darstellung und dem Umfang des gezeigten Fachwissens auch folgende Aspekte berücksichtigt
werden:
• die Gliederung und der Aufbau der Darstellung
• die Verständlichkeit und die Anschaulichkeit der Darlegung
• die Konzentration auf wesentliche Aspekte
• der Grad der Selbständigkeit
• die Flexibilität bei Fragen, Einwänden und Hilfen
• die Fähigkeit, Sachverhalte fachsprachlich korrekt darzustellen und zu beurteilen
• die Fähigkeit, Lösungsvorschläge zu entwickeln
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II Aufgabenbeispiele
1. Aufgabenbeispiele für die schriftliche Prüfung
1.1 Erläuterungen
Die folgenden Aufgabenbeispiele beschreiben exemplarisch das zu erwartende Anspruchsniveau.
Sie sollen Anregungen geben für Aufgabenkonstruktionen unter Berücksichtigung
der in 3.1, 3.2 und 3.3 gegebenen Hinweise zu den Aufgabenarten und der Materialauswahl.
Ferner soll die Zuordnung zu den Anforderungsbereichen veranschaulicht werden, die sich
nach den Vorgaben in 2.1 und 2.2 richten.
Die Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistungen und die Zuordnung der Aufgabenteile
zu den drei Anforderungsbereichen sind vor dem Hintergrund bestimmter unterrichtlicher
Voraussetzungen vorgenommen worden. Bei anderen Voraussetzungen können sich andere
Einstufungen ergeben.
Mit dieser Sammlung werden auch einige für Prüfungen geeignete Inhalte aufgezeigt und
Anregungen gegeben, wie thematisch verschiedene Teile zu vollständigen Prüfungsaufgaben
zusammengestellt werden können. Die Aufgaben beinhalten jedoch weder thematische
Bindungen noch setzen sie didaktische Schwerpunkte.
Die zur Bearbeitung der Aufgabenbeispiele vorgesehene Arbeitszeit beträgt jeweils 90 Minuten.
Jedes Aufgabenbeispiel ist in folgender Weise gegliedert:
1. Aufgabenstellung mit Materialien (und eventuell zugelassene Hilfsmittel)
2. Unterrichtliche Voraussetzungen
3. Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung, gegliedert in:
o Erwartete Leistung
o Lehrplaneinheit (LPE), auf die Bezug genommen wird
o Angaben zum Anforderungsbereich mit möglicher Gewichtung der Teile zur
Gesamtleistung
Nur der Teil 1 „Aufgabenstellung“ wird in der Prüfung in der angegebenen Form dem Prüfling
vorgelegt. Zur Aufgabenstellung als Anlage beigefügt erhält der Prüfling eine Formelsammlung
mit den Strukturformeln der 20 in der Natur vorkommenden Aminosäuren, den Bausteinen
der DNA und der Basenpaarung, sowie eine tabellarische Darstellung des genetischen
Codes.
Einem häufig in der Praxis angewandten Verfahren folgend wird die Kennzeichnung der Anteile
an der Gesamtleistung durch die für die Bewertung hilfreiche Gewichtungseinheiten
vorgenommen. Eine Festschreibung des Verfahrens, mit dem die Anteile gekennzeichnet
werden können, ist damit nicht beabsichtigt.
Bei der Darstellung der erwarteten Prüfungsleistung kann zwischen der tabellarischen Form
und der offenen Textform gewählt werden. Beide Varianten werden bei den Aufgabenbeispielen
berücksichtigt.
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1.2 Beispiele für das Profilfach
Es werden folgende Aufgabenbeispiele beschrieben:
• Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Gelelektrophorese,
Gendiagnose am Beispiel Chorea HUNTINGTON (90 Minuten)
• Klonierung, Transformation, Restriktionsanalyse,
Genregulation (90 Minuten)
• Genexpression, Immunglobulinproduktion, Proteintrennung
mittels Sodium-Dodecyl-Sulfat (SDS)-Gelelektrophorese,
Immunodetektion mittels Enzyme Linked Immuno Sorbens
Assay (ELISA) (90 Minuten)
• Biotechnische Produktion: Prozessgesteuerte Fermentation
am Beispiel ß-Galactosidase, Kulturmedium, Regelgrößen,
Produktnachweis, Biochemie der Stoffwechselreaktionen (90 Minuten)
1.2.1 Polymerase-Kettenreaktion (PCR), Gelelektrophorese,
Gendiagnose (90 Minuten)
1. Aufgabenstellung
Zur Diagnose der monogenen Erbkrankheit Chorea HUNTINGTON, einer Erkrankung des Gehirns,
die zum vollständigen Verlust der Bewegungskontrolle bis hin zur Demenz führen
kann, wird die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) mit anschließender gelelektrophoretischer
Auftrennung der erhaltenen DNA-Produkte eingesetzt.
Der Gentest beruht darauf, dass die Chorea HUNTINGTON mit einer bestimmten Anzahl von
CAG-Tripletts im entsprechenden Gen korreliert, die mehrfach hintereinander vorkommen.
Die Abbildung 2 zeigt einen Familienstammbaum über drei Generationen (I, II, III) und das
Elektropherogramm der mittels PCR erhaltenen DNA-Produkte der untersuchten Familienmitglieder.
1.1
1.2
1.3
Erstellen Sie ein typisches Temperatur/Zeit-Diagramm bis zum Ende des zweiten
Zyklus einer PCR und begründen Sie die gewählten Temperaturstufen und deren
Dauer.
Ausgehend von einem DNA-Doppelstrang liegen nach der Denaturierung im dritten
PCR-Zyklus drei verschieden lange DNA-Einzelstränge vor. Erläutern Sie das
Zustandekommen und die Anzahl dieser DNA-Einzelstränge.
In der Regel werden die theoretisch möglichen Ausbeuten an PCR-Produkten
nicht erreicht. Nennen Sie dafür zwei mögliche Gründe.
2.1 Nennen Sie drei Kriterien, denen Primer für eine erfolgreiche PCR genügen müssen
und erläutern Sie diese jeweils anhand einer Skizze.
13

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2.2
Das Elektropherogramm von drei PCR-Analysen ist in Abbildung 1 dargestellt.
Schließen Sie anhand von Abbildung 1 jeweils auf eine mögliche Fehlerquelle in
den Analysen 2 und 3 und erläutern Sie diese.
Hinweis: Alle PCR-Ansätze enthielten alle notwendigen Komponenten.
1 2 3
Abbildung 1: Elektropherogramm von drei PCR-Analysen
Quelle: T. A. BROWN, Gentechnologie für Einsteiger, Spektrum Akademischer
Verlag 1996, Seite 256.
3.1 Leiten Sie aus der Darstellung des Elektropherogramms in Abbildung 2B die Laufrichtung
der PCR-Produkte und die Polung des elektrischen Feldes ab. Begründen
Sie.
A B
I
II
III
1
1 2
1
2
2 3 4
(CAG)n
n=86
n=36
n=16
14
(CAG)n
n = 36
I-1 I-2 II-1 II-2 II-3 II-4 III-1 III-2
Abbildung 2: A, Stammbaum; B, Testergebnisse auf das HUNTINGTON-Gen im
Elektrophoresegel
Quelle: T. DINGERMANN, Gentechnik Biotechnik, Wissenschaftliche Verlagsgesell-
schaft mbH Stuttgart 1999, Seite 521.

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3.2 Stellen Sie einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der CAG-Wiederholungseinheiten
im Gen und dem Auftreten der Krankheit her und leiten sie einen
möglichen Vererbungsmodus ab. Geben Sie die theoretisch möglichen Genotypen
aller untersuchten Familienmitglieder an.
4.1 Die ersten Krankheitssymptome der Chorea HUNTINGTON treten erst im Alter von
etwa 40 Jahren auf. Stellen Sie Pro und Kontra für die Durchführung des Gentests
aus ethischer Sicht dar.
4.2 Im Film Jurassic-Park lassen Wissenschaftler Dinosaurier wieder entstehen. Erläutern
Sie zwei Gründe, warum dies Fiktion bleiben muss.
2. Unterrichtliche Voraussetzungen:
• PCR-Zyklus, Entstehung der Amplimere und praktische Erfahrung bei der
Durchführung einer PCR (Praktikum)
• Kriterien bei der Primerwahl und mögliche Fehlerquellen in der Praxis
• Prinzip der Agarose-Gelelektrophorese sowie die Auswertung von Gelen
• Stammbaumanalyse am Beispiel wichtiger Erbkrankheiten
• Ethische Betrachtung bei einer dominant vererbten Krankheit
• Beurteilung der Leistungsfähigkeit einer PCR
3. Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforde-
rungsbereich
I II III
1.1 Temperatur/Zeit-Diagramm z.B.
T 5` 95°C 1`95°C 1`95°C
[°C]
2` 72°C 2` 72°C
1` 54°C 1`54°C
15
t [min]
6.1
9.2
7

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Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
I II III
Denaturierung:
Zu Beginn wird 5 Min. auf 95°C erhitzt, um die Matrizen-DNA
zu denaturieren.
Sie ist länger als die gewünschten Produkte (Amplimere),
deswegen wird für die späteren Denaturierungsschritte nur
noch 1 Min. auf 95°C erhitzt.
Primeranlagerung (Annealing):
Jeweils 1 Min. (da kurzer Primer rasch gebunden wird) bei
54°C. Die Temperatur von 54°C ergibt sich aus der Länge
und der Basenzusammensetzung des Primers.
Amplifizierung:
Jeweils 2 Min. bei 72°C, der Optimaltemperatur der Polymerase.
Die Dauer hängt ab von der Länge des zu synthetisierenden
komplementären Stranges.
8
Hinweis: Die angegebenen Zeitintervalle und Temperaturen können
variieren, müssen aber in der Größenordnung stimmen.
1.2 Es liegen zwei Einzelstränge der Originalmatrize, vier Stränge
ohne definierte Länge (lange Produkte, die nur an einem Ende
durch einen Primer, auf der anderen Seite durch das Ende der
Matrize begrenzt waren) und zwei gewünschte Produkte (Amplimere)
vor.
1.3 Nach etwa 20 Zyklen nimmt die Effizienz der PCR ab weil:
• Substrate und Primer werden langsam verbraucht
• Die Taq-Polymerase nimmt durch die starken Temperaturschwankungen
in ihrer Aktivität ab
• Wird sehr wenig Matrizenmaterial eingesetzt, dienen aufgrund
der Fehlerrate der Polymerase fehlerhafte Kopien als
Matrizen für die weiteren Zyklen
2.1 Primeranforderungen, z.B.:
• Sie dürfen nicht partiell oder komplett selbstkomplementär
sein, da sich sonst Primer-Loops oder Primer-Dimere bilden.
16
6.1
6.1
10
10

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Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
I II III
• Die eingesetzten Primer müssen den Genbereich umschließen,
in dem die CAG-Wiederholungseinheiten vorkommen.
•
CAG-Wiederholungseinheiten
5`
3` 5`
3`
5` 3`
3`
5`
• Länge: ca. 17 bis 25 Nucleotide, sodass die Wahrscheinlichkeit
ihrer Bindung nur einmal im Genom gegeben ist.
5`
3`
3`
Primer 1
CAG-Wiederholungseinheiten
5`
2.2 Spur 2: Kein Vervielfältigungsprodukt, da die Primer nicht mit der
DNA-Matrize hybridisieren konnten.
Mögliche Ursache:
Annealingtemperatur zu hoch, Primer konnten nicht an die
komplementäre DNA binden.
Spur 3: Enthält ein Gemisch von Molekülen, unter denen sich das
Allelenpaar befindet.
Mögliche Ursache:
Annealingtemperatur zu niedrig, Primer haben an einer
weiteren Stelle hybridisiert.
3.1 Durch das negativ geladene Rückgrat eines DNA-Stücks wird dieses
im elektrischen Feld während einer Elektrophorese zum positiven
Pol (Anode) gezogen. Je nach dessen Größe wird es im Gel
unterschiedlich weit wandern: Mit zunehmender Größe wird es
durch die Poren im Gel stärker zurückgehalten. PCR-Produkte
des HUNTINGTON-Gens mit 86 CAG-Wiederholungen sind länger
als das intakte Gen und wandern daher langsamer im Gel.
3.2 Bei den erkrankten Personen (I-2 und II-2) treten in einem der
beiden Allele eine außergewöhnlich große Anzahl von CAG-
Triplett-Wiederholungen auf. Im jeweils anderen Allel liegt die Zahl
der Triplett-Wiederholungen zwischen 16 und 35.
5`
17
Primer 2
3`
3`
5`
6.1
9.2
6.1
6
10
6
10

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
Bei gesunden Personen besitzen jeweils beide Allele nur bis zu
35 CAG-Wiederholungseinheiten. Dies bedeutet die Krankheit
muss dominant vererbt werden, weil ein Allel mit mehr als 36
CAG-Wiederholungen ausreicht, um die Krankheit auszulösen.
Genotypen: I-1: aa; I-2: Aa; II-1: aa; II-2: Aa; II-3: aa; II-4: aa;
III-1: aa; III-2: aa
Hinweis: ein geschlechtsgebundener Erbgang ist aufgrund des
Stammbaumes nicht auszuschließen.
4.1 In betroffenen Familien herrscht über 40 Jahre Ungewissheit, ob
ein Familienmitglied Krankheitsträger ist und folglich sicher erkranken
wird. Ein negativer Befund würde frühzeitig ein Leben
ohne psychische und physische Probleme garantieren. Ein positiver
Befund schürt die Angst vor dem Ausbruch der Krankheit im
kritischen Alter.
18
7.2
7.3
7.4
I II III
4.2 Beispiele für mögliche Antworten:
• Selbst wenn man alle DNA-Bruchstücke finden würde, ist es
sehr unwahrscheinlich, diese in die ursprüngliche Reihenfolge
zu bringen.
• Die Wahrscheinlichkeit, ein intaktes Genom zu finden, ist sehr
gering.
• Die geeignete Eizelle für dieses Genom zu finden ist schwierig.
7.4 10
Summe der Gewichtung 35 49 16
4
7
6
6

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.2.2 Klonierung, Transformation, Restriktionsanalyse,
Genregulation (90 Minuten)
1. Aufgabenstellung
1.
In der Gentechnik verwendete Sicherheitsstämme enthalten vielfältige genetische Veränderungen
um sicherzustellen, dass sie außerhalb des Labors nicht überleben können. Dem
Genom des häufig verwendeten Sicherheitsstammes E. coli XL1blue fehlen zusätzlich alle
Gene des Lactose–Abbaus (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1: Fehlender Teil der genetischen Information im Genom von XL1blue
Bei gentechnischen Experimenten mit E. coli XL1blue verwendet man unter anderem auch
die Fähigkeit zur Lactose-Spaltung als genetischen Marker bei der Kontrolle auf eine erfolgreiche
Transformation und Klonierung.
1.1 Benennen Sie alle Strukturelemente sowie deren Funktion, die das Plasmid in Abbildung 2
zusätzlich mindestens aufweisen muss, um die erfolgreiche Klonierung eines Fremdgens zu
ermöglichen und sichtbar zu machen.
lacZ
Abbildung 2: Plasmid zur Transformation in E. coli XL1blue
1.2 Nennen Sie drei Methoden zum Einbringen von Vektoren in Bakterien.
2. Für die Indikator-Reaktion bei der Kontrolle auf erfolgreiche Transformation wird die zu Lactose
strukturanaloge Verbindung X-Gal als Substrat verwendet:
X-Gal
lacI
Lactase
Gal + X und in der Folge: X (O2) red (farblos) X ox(blau)
X-Gal besitzt keinen Einfluss auf die Genregulierung. Diese Aufgabe übernimmt der nicht
umgesetzte substratanaloge Stoff IPTG.
Zeigen Sie anhand eines beschrifteten Schemas die Regulationsvorgänge, die in Anwesenheit
von X-Gal, IPTG und eines Vektors ohne eingebautes Fremdgen im Bakterium ablaufen.
19

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
3 In einem Kontrollstamm mit intaktem Lactose-Katabolismus erhält man bei einem Stoffwechselexperiment
folgenden Lactose-Konzentrationsverlauf gegen die Zeit (siehe Abbildung 3).
c(Lac)
Abbildung 3: Konzentrationsverlauf der Lactose gegen die Zeit
Eine nähere Analyse zeigt, dass die CAP-Bindungsstelle (siehe Abbildung 1) im Fall A von
einem Protein besetzt, im Fall B dagegen unbesetzt ist.
3.1 Ordnen Sie die Versuche A und B hoher und niedriger Glucose-Konzentration zu und leiten
Sie die Wirkung von Glucose über die CAP-Bindung auf die lacZ-Expression ab.
3.2 Begründen Sie den biologischen Sinn dieser zusätzlichen Regelung.
4 Nach Durchmustern einer Genbibliothek werden die in die pBlueScript-Vektoren eingefügten
Genomabschnitte mit dem Restriktionsenzym XhoI herausgeschnitten. Die Länge dieser
DNA-Abschnitte wird mit Hilfe einer Agarose-Gelelektrophorese analysiert.
4.1 Erläutern Sie die Wirkungsweise von Restriktionsenzymen und ihre Aufgabe in der Bakterienzelle.
4.2 Charakterisieren Sie den speziell für Klonierungen modifizierten Sequenzabschnitt auf dem
künstlichen Plasmid.
4.3 Beschreiben Sie stichwortartig das Trennprinzip der Agarose-Gelektrophorese.
B
A
4.4 Folgern Sie die Anzahl der zu erwartenden Banden auf dem Elektropherogramm bei einem
unvollständigen Restriktionsverdau mit XhoI, wenn der Vektor pBluescript (2854 Nukleotide)
verwendet wird und in die Klonierungsstelle ein DNA-Fragment mit 800 Nukleotiden Länge
eingebaut ist. Geben Sie die Nukleotidanzahl der jeweiligen Bande an.
4.5 Bei unvollständigem XhoI-Verdau eines anderen Plasmidmoleküls aus derselben Genbibliothek
mit einem DNA-Fragment von ebenfalls 800 Nukleotiden finden sich 7 lineare DNA-
Fragmente.
Zeigen Sie anhand von Skizzen die Ableitung der DNA-Fragmente aus dem Vektor und berechnen
Sie deren Längen für den Fall, dass das kürzeste Fragment zu 354 Nukleotiden bestimmt
wurde.
20
t

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
2. Unterrichtliche Voraussetzungen:
• Die Unterschiede zwischen der Weitergabe und Realisation der
genetischen Information bei Pro- und Eukaryoten vergleichend darstellen
• Inter- und intrazelluläre Kommunikation zur Regelung der Genexpression
• Natürliche Wege der Genübertragung
• Methoden der künstlichen Genübertragung
• Transformation (Praktikum)
3. Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung
Teilaufgabe
1.1
Erwartete Leistungen LPE Mögliche
Gewichtung im
Anforderungsbereich
ORI(gin) of Replication = Replikationsstart,
einen zweiten (Selektions-)Marker für Test auf erfolgreiche Transformation,
singuläre Restriktionsschnittstelle im lacZ-Gen zur Insertion des
Fremdgens,
geeignete Promotoren für die Expression der Selektionsmarker.
1.2 Z.B. CaCl2-Methode/Hitzeschock, Elektroporation, Lipofektion, Viren
2
3.1 A: wenig-Glc CAP-bindungsfähiges Protein Lactase-
Expression;
B: viel Glc CAP-bindungsfähiges Protein Lactase-
Expression
das an die CAP-Struktur bindende Protein stimuliert die Transkription
des lac-Operons
3.2 bei niedrigen Glc-Konzentrationen wird die Metabolisierung von Lactose
zu Glc und Gal verstärkt. Ist Glc vorhanden, wird Gal nicht
energetisiert, sondern für Biosynthesen verwendet.
4.1 Endonucleasen, die auf ihrem Substrat (zumeist) palindromartige
kurze DNA-Abschnitte erkennen und symmetrisch (blunt) oder
asymmetrisch (sticky ends) spalten, dienen der Zerstörung feindlicher
DNA (Viren).
21
5.1
5.2
6.1
I II III
5
6.1 5
4.2
5.2
4.2
5.2
10.2
5.1
5
5
10
10
5
5

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teilaufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche
Gewichtung im
Anforderungsbereich
I II III
4.2 Region in einem der beiden Selektions-Marker-Gene, die unter Beibehaltung
der Proteinfunktion eine Vielzahl von singulären Restrik-
tionsschnittstellen aufweist.
4.3 Trennverfahren nach dem Prinzip des Molekularsiebs, dessen mittlere
Maschenweite durch die Agarose-Konzentration eingestellt wird.
DNA-Fragmente wandern aufgrund ihrer negativen Summenladung
im angelegten elektrischen Feld. Wanderungsgeschwindigkeit unter
definierten Bedingungen ist abhängig von der molaren Masse bzw.
Kettenlänge.
4.4
800, 2854, (2854+800) superhelical, (2854+800) zirkulär,
(2854+800) linear
4.5 Es muss eine dritte Spaltstelle vorhanden sein, sie kann nur im Insert
liegen. Skizzen zeigen Spaltstellen mit Fragmentlängen (in bp)
- 354 3300 (=2854+446)
- 446 3208 (=2854+354)
- 800 2854
- 3654 (=2854+800) , (=354+2854+446), (= 800+2854)
- 354 2854 446
22
5.1
9.1
9.2
9.2
9.1
9.2
5
10
15
10
Summe der Gewichtung 35 50 15
5
5

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.2.3 Genexpression, Immunglobulinproduktion, Proteintrennung
mittels Sodium-Dodecyl-sulfat (SDS)-Gelelektrophorese,
Immunodetektion mittels Enzyme linked immuno sorbent
assay (ELISA) (90 Minuten)
1. Aufgabenstellung
1.1
1.2
1.3
Erläutern Sie die prinzipiellen Vorgänge bei der Produktion eines Polypeptids in
einem B-Lymphozyten.
Beschreiben Sie den Aufbau eines Antikörpers vom Typ Immunglobulin G (IgG)
anhand einer beschrifteten Skizze.
Ein Antikörper zerstört ein in den Organismus eingedrungenes Antigen nicht direkt.
Vielmehr ist die Bindung eines Antikörpers an sein entsprechendes Antigen
die Grundlage und der Auslöser von Effektormechanismen der Körperabwehr. Erläutern
Sie zwei dieser Effektormechanismen und nennen Sie jeweils ein Beispiel.
1.4 Das menschliche Immunsystem kann Millionen verschiedener Antikörper produzieren,
sodass entsprechend viele Typen von Antigenen gebunden werden können.
Erläutern und berechnen Sie anhand von Abbildung 1, wie es zur Bildung einer
so großen Anzahl unterschiedlicher Antikörper kommt, obwohl die Zahl der
hierfür codierenden Gene nur wenige Hundert beträgt.
A:
B :
Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung der Antikörper codierenden DNA-Bereiche
einer Stammzelle.
A: 250 variable (V) Exons, 4 verbindende (J) Exons und ein oder mehrere
konstante (C) Exons für die leichte Kette
B: 100 V -, 12 D-, 4 J- und ein oder mehrere konstante (C) Exons für die
schwere Kette.
1.5 Ein unbekanntes Protein wurde zur Abschätzung seiner molekularen Masse mit
folgenden Markerproteinen bekannter Molekülmasse mittels Natriumdodecylsulfat
(SDS)-Polyacrylamid-Gelelektrophorese verglichen: Lysozym (14400 u), Phosphorylase
b (97400 u), ß-Galactosidase (116250 u), Ovalbumin (45000 u), Serumalbumin
(66200 u)
1.5.1
V1 V2 V3 V250 J1 J2 J3 J4 C
V1 V2 V100 D1 D12
J1 J2 J3 J4 C
Erläutern Sie den Einfluss von SDS auf Proteine.
23

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.5.2 Ordnen Sie die angegebenen Markerproteine den Banden ( a – e ) in Spur 1 im
dargestellten SDS-Polyacrylamid-Gel der Abbildung 2 begründet zu.
1 2
a
b
c
d
e
-
+
Abbildung 2: SDS-Polyacrylamid-Gel, Spur 1 Markerproteine (a - e); Spur 2 unbe-
kanntes Protein
1.5.3 Erläutern Sie die Vorgehensweise zur möglichst genauen Molekülmassenbestimmung
für das unbekannte Protein anhand des Elektrophoresegels und ermitteln
Sie auf diese Weise die Molekülmasse des Proteins.
1.6 Vor der Stecklingsvermehrung von Petunien in Gärtnereien werden die
Mutterpflanzen auf eine Infektion mit dem Petunien-Flower-Break-Virus (PFBV)
hin untersucht. Ein Virusbefall lässt unter anderem die Blütenfarbe der Jungpflanzen
verschwinden, sodass diese nicht mehr zu vermarkten sind. Der Virusnachweis
aus einem Blattextrakt erfolgt mittels direktem immunologischen Test nach
dem Prinzip eines Sandwich-ELISAs, dargestellt in Abbildung 3.
1
Abbildung. 3: ELISA-Sandwich-Komplex beim PFB-Virus-Nachweis
2
24
4
3
5
6
7

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.6.1 Benennen Sie die mit Ziffern gekennzeichneten Strukturen in Abbildung 3.
1.6.2 Beschreiben Sie die experimentelle Vorgehensweise bei der Durchführung des
ELISA-Tests zum PFBV-Nachweis (siehe Abbildung 3), ausgehend von einem infizierten
Geranien-Blattextrakt und den benötigten Materialien.
1.7 Auch ein Schwangerschafts-Schnelltest sowie der HIV-Test beruhen auf dem
Prinzip einer immunologischen Detektion. Beim Schwangerschafts-Schnelltest
wird das Hormon human Chorion-Gonadotropin (hCG) im Urin, beim HIV-Test
werden HIV-Antikörper im Blutserum nachgewiesen. Der jeweils entstandene Immunokomplex
bei einem positiven Testergebnis ist in Abbildung 4 dargestellt.
a) b)
Farbstoff
Abbildung 4.: Immunokomplex bei jeweils positiven Testergebnis eines Schwan-
gerschafts-Schnelltests (a) und eines HIV-Tests (b)
Stellen Sie die wesentlichen Unterschiede und Gemeinsamkeiten des Immunokomplexes
von Schwangerschafts-Schnelltest und HIV-Test, vergleichend zum
PFBV-Nachweis (siehe Abbildung 3), dar.
1.8 Beschreiben Sie je eine Vorgehensweise zur Herstellung polyklonaler und monoklonaler
Antikörper.
1.9 Begründen Sie, warum im Schwangerschafts-Schnelltest monoklonale Antikörper
zum Einsatz kommen.
2. Unterrichtliche Voraussetzungen:
• Transkription/Translation
• Körperabwehr
o Spezifische Immunabwehr
o Immunglobulin-Produktion
o Immunodetektion
o Vielfalt der Immunglobuline
• Polyacrylamid-Gelelektrophorese (Praktikum)
25
Enzym
Substrat
Produkt

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
3. Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
I II III
1.1 Beschreibung der Vorgänge Transkription und Translation mit
Fachbegriffen: DNA-Matrizenstrang, RNA-Polymerase, mRNA,
Splicing, tRNA, Ribosomen, Genetischer Code, Aminosäuren
1.2 Antikörperskizze mit Beschriftung:
Antigen-Bindungsstelle
Variable
Region
Konstante
Region
26
Leichte Kette
Zuckerseitenketten
Schwere Kette
1.3 Effektormechanismen zum Beispiel:
• Neutralisation: Antikörper blockiert Epitope eines Antigens,
wodurch dieses unwirksam wird, zum Beispiel: Blockierte
Epitope eines Virus, die ihn an die Wirtszelle andocken
lassen
• Agglutination: Die zwei Antigenbindungsstellen eines Antikörpers
vernetzen Antigene, zum Beispiel: Verklumpung
von Bakterien durch Antikörper.
• Präzipitation: Vernetzen löslicher Antigenmoleküle unter
Bildung eines immobilen Präzipitats, das von Phagocyten
aufgenommen wird, zum Beispiel: Bakterientoxine werden
präzipitiert.
1.4 Bei der B-Lymphozyten-Reifung wird durch intrachromosomale
Rekombination ein V- mit einem J-Exon verknüpft. Bei 250 V-
Exons und vier J-Exons können 1000 VJ-Kombinationen für die
variable Region erzeugt und in die leichte Kette translatiert werden.
Für die Bildung der schweren Kette können durch Rekombination
der V, D, und J-Exone 4800 verschiedene Kombinationen gebildet
werden. Die freie Kombinierbarkeit von schwerer und leichter
Kette in einem Arm des Antikörpermoleküls ergibt eine Variabilität
von 4,8 Millionen.
4.1
6.2
6.2
6.2
12
8
8
10

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
1.5.1 Bei der Bindung von SDS an Proteine werden diese denaturiert
und nehmen eine lineare Struktur ein.
1.5.2 Die Trennung der Proteine erfolgt nach dem Molekularsiebprinzip:
Je kleiner das Protein, umso geringer ist die Masse des SDS-
Protein-Komplexes und umso weiter wandert das Protein im Gel.
Kleinere Proteine wandern schneller durch das Polyacrylamid-
Gel: a ß-Galactosidase, b Phosphorylase b, c Serumalbumin,
d Ovalbumin, e Lysozym
1.5.3 Erstellen einer Eichkurve durch graphische Darstellung von logM
der Markerproteine gegen die relative Wanderungsstrecke. Ablesen
der Molekülmasse des unbekannten Proteins über dessen
Wanderungsstrecke.
Aus der Eichkurve ermittelte Molekülmasse:
ca. 28 000 u (+/- 4000 u)
1.6.1 1 Festphase, 2 immobilisierter Antikörper, 3 PFB-Virus mit entsprechenden
Epitopen, 4 sekundärer Antikörper, 5 an sekundären
Antikörper gebundenes Enzym, 6 Substrat, 7 Produkt (Farbstoff)
1.6.2 Ins Reaktionsgefäß (z.B. Mikrotiterplatte) mit immobilisiertem primären
Antikörper werden wenige Tropfen des Blattextraktes gegeben.
PFBV-Antigene aus dem Blattextrakt binden an den immobilisierten
Antikörper.
Nach Waschen des Reaktionsansatzes wird ein sekundärer Antikörper,
markiert mit einem Enzym, zugegeben. Dieser bindet an
den Antigen-Antikörper-Komplex im Reaktionsgefäß.
Nach erneuter Waschung und Substratzugabe wird das Substrat
durch den Enzym-markierten Antigen-Antikörper-Komplex in einen
Farbstoff umgewandelt.
Die Bildung des Farbstoffes zeigt die Virusinfektion an.
1.7 Schwangerschafts-Schnelltest:
Immunodetektion nach dem Sandwich-Prinzip, aber kein ELISA;
indirekter Test
HIV-Schnelltest:
Immunodetektion nach dem ELISA-Prinzip, aber keine Sandwichstruktur,
indirekter Nachweis, da nicht das Virus nachgewiesen
wird.
1.8 Polyklonale Antikörper:
- Isolierung eines geeigneten Antigens
- Antigeninjektion in ein Tier (Immunisierung)
- Isolation der Antikörper aus dem Blutserum.
Monoklonale Antikörper:
Klassische Hybridomatechnik:
- Isolierung eines geeigneten Antigens
- Immunisierung eines Tieres
- Isolierung der gebildeten B-Zellen
27
10.5
10.5
12.4
12.4
10.5
6.2
6.2
6.2
6
8
8
6
9
6
8
5
2

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im
Anforderungsbereich
- Immortalisierung durch Verschmelzung von B-Zellen mit
Krebszellen (Myelomazelle)
- Selektion der immortalisierten antigenspezifischen B-
Zellen
oder gentechnische Herstellung:
- Zusammensetzung des Konstruktes aus entsprechenden
Genbereichen der konstanten und variablen Regionen
- Einschleusung des Konstruktes in eine geeignete eukaryotische
Zelllinie
- Selektion der erfolgreichen Transformanten
- Kultivierung der Transformanten
- Isolierung und Aufreinigung des Antikörpers
1.9 Um die Wahrscheinlichkeit falsch positiver Ergebnisse im Test
durch ähnliche Epitope anderer Moleküle zu vermeiden sind nur
hCG spezifische monoklonale Antikörper geeignet.
28
6.2
Summe der Gewichtung 34 49 17
3

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.2.4 Biotechnische Produktion:
Fermentation am Beispiel ß-D-Galactosidase, Kulturmedium,
Regelgrößen, Produktnachweis, Biochemie der Stoffwechsel-
reaktionen (90 Minuten)
1. Aufgabenstellung
1.
1.1
Das Enzym ß-D-Galactosidase, welches Lactose hydrolysiert, wird in E. coli durch
Fermentation aerob hergestellt. Im Kulturmedium sind von Anfang an Glucose und
Lactose enthalten und werden nicht nachgefüttert.
Der pH-Wert ist ein typischer, elektronisch geregelter Parameter bei der Fermentation
von ß-D-Galactosidase.
Nennen Sie zwei weitere zu regelnde Parameter bei dieser Fermentation.
1.2 Skizzieren Sie einen beschrifteten Regelkreis und ordnen Sie den kybernetischen
Begriffen die entsprechenden Komponenten bei der Regulation des pH-Werts zu.
1.3
Der Verlauf einer Fermentation lässt sich anhand der Glucosekonzentration im
Medium fotometrisch verfolgen, dazu wird ein enzymatischer Test durchgeführt.
Das Test-Kit enthält: zwei Enzyme und deren Cosubstrate:
• Hexokinase
• Glucose-6-phosphat-Dehydrogenase
• ATP
• NADP +
sowie folgende Information über die optischen Eigenschaften von NADP + und
NADPH+H + :
Wellenlänge λ
Abbildung 1: Absorptionsspektren von NADP + und NADPH+H +
Quelle: Biochemie, Grundlagen und Experimente, Follmann 2001, Seite 61
1.3.1 Nennen Sie die prinzipiellen Arbeitsschritte bei dieser fotometrischen Bestimmung
und erläutern Sie, bei welcher Wellenlänge die Messung durchgeführt wird (siehe
Abbildung 1).
1.3.2 Ordnen Sie den beiden Testreaktionen ihre Funktion im Testsystem zu und erstellen
Sie die Reaktionsgleichungen unter Verwendung der Stoffnamen.
Benennen Sie die Reaktionstypen.
29
NADPH+H +
NADP +

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
1.3.3 Geben Sie die Strukturformeln des Zwischen- und des Endproduktes an und
weisen Sie in den reagierenden Molekülteilen die Oxidationszahlen zu.
1.3.4 Erläutern Sie den stofflichen und funktionellen Zusammenhang der beiden Testreaktionen
und der Glucosekonzentration.
1.4 Nennen Sie die vier prinzipiellen Arbeitsschritte zur Gewinnung reiner
ß-D-Galactosidase aus E. coli-Zellen und nennen Sie jeweils eine geeignete Methode.
2. Folgendes Diagramm zeigt den Verlauf verschiedener Parameter bei der Produktion
von ß-D-Galactosidase in E. coli durch Fermentation bei gleichzeitiger Anwesenheit
von Glucose und Lactose als Substrate.
Glucose [g/L], Lactose [g/L], ß-D-Galactosidase [mg/L]
Abbildung 2: Diagramm zum Fermentationsverlauf
2.1 Benennen Sie die charakteristischen Wachstumsphasen der E. coli-Kultur und geben
Sie die entsprechenden Zeiträume an (siehe Abbildung 2).
2.2 Beschreiben Sie den Konzentrationsverlauf der Nährstoffe im Kulturmedium.
2.3 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen den Nährstoffkonzentrationen im Kulturmedium
und der Zelldichte in der E. coli-Kultur.
2.4 Begründen Sie den Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Nährstoffkonzentrationen
und der ß-Galactosidase-Konzentration auf der Ebene der Genregulation
und leiten Sie den biologischen Sinn dieser Genregulation ab.
30
Zelldihte [g/L

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
2. Unterrichtliche Voraussetzungen:
• Inter- u. intrazelluläre Kommunikation
o Regelprinzipien
o Feedback
• Für die Fermentation relevante Stoffwechselvorgänge
• Prinzip der Redoxreaktion
• Aufbau und Funktionsweise eines prozessgesteuerten Fermenters
• Regelparameter
• Verfahrensablauf bei biotechnischen Prozessen
o Wachstumskontrolle
o Zellernte
o Produktgewinnung/Produktreinigung
o Reinheitsprüfung durch PAGE
o Fotometrie
3. Beschreibung der erwarteten Prüfungsleistung
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im Anforderungsbereich
I II III
1.1 z.B.:
• Sauerstoff
• Temperatur
• Schaum
1.2
31
10.4
12.2
6
8

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im Anforderungsbereich
I II III
1.3.1 1. Probenentnahme
2. Zentrifugation der Zellen
3. Einstellung der geeigneten Wellenlänge am Fotometer
4. Messung des Überstands aus Schritt 2 gegen den
Leerwert
5. Ermittlung der Konzentration aus der Eichkurve
340 nm, da bei dieser Wellenlänge der Absorptionsunterschied
zwischen NADPH + H + und NADP + maximal
ist
1.3.2 1. Hilfsreaktion:
HK
Glucose + ATP Glucose-6-phosphat + ADP
Veresterung
32
10.5
12.3
10.2
12.3
2. Indikatorreaktion:
G6P-DH
Glucose-6-phosphat + NADP +
Gluconat-6-phosphat + NADPH +H +
Redoxreaktion
5
1.3.3 Strukturformel zu Glucose-6-phosphat und Gluconat-6phosphat
mit Oxidationszahlen
10.2 6
1.3.4 Indikatorreaktion verbraucht das Produkt der Hilfsreaktion
und erzeugt je Reaktionsumsatz fotometrisch messbares
NADPH+H + , dadurch stehen die Glucose- und
NADPH+H + 10.2
10.5
5
-Konzentrationen im Verhältnis 1 : 1.
12.3
1.4 Separation der Zellmasse, z.B. Zentrifugation, Filtration
Zellaufschluss, z.B. Ultraschall, Kugelmühle, Glasperlen
Reinigung, z.B. Ammoniumsulfatfällung, Affinitätschromatographie,
Reinheitsprüfung, z.B. SDS-PAGE
10.5 11
2.1 Lag-Phase I: 8 - 12 h, Übergangsphase I: 12 – 14 h
Log-Phase I: 14 – 17 h, Übergangsphase I: 17 – 20 h
Stationäre Phase I: 20 – 24 h,
Übergangsphase II:24 – 26 h
Log-Phase II: 26 – 29 h, Übergangsphase II: 29 – 30 h
Stationäre Phase II: ab 30 h
10.5 6 4
2.2 Die Glucosekonzentration nimmt zu Beginn langsam, ab
12 h verstärkt ab und geht nach 25 h gegen Null.
Die Lactosekonzentration bleibt etwa 23 h lang unverändert,
sinkt dann rasch und ist nach 34 h Null.
10.5 4 4
2.3 Glucose dient als erste Energiequelle und Baustoff- 10.2
grundlage. Nach dem Verbrauch der Glucose übernimmt 10.5
die Lactose diese Aufgabe, wobei Lactose jedoch nicht
zu einem gleich starken Wachstum wie Glucose führt.
4.2
4
8
5
5
5
4

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Teil-
aufgabe
Erwartete Leistungen LPE Mögliche Gewichtung
im Anforderungsbereich
I II III
2.4 In Anwesenheit von Glucose wird das Lactose-Operon
reprimiert. Erst nach Verbrauch der Glucose wird das
Enzym ß-D-Galactosidase gebildet.
Die wertvollere Lactose wird erst nach Verbrauch des
universellen Energielieferanten Glucose zur Energiegewinnung
genutzt.
10.2
4 6
Summe der Gewichtung 35 50 15
33

EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
2. Aufgabenbeispiele für die mündliche Prüfung
2.1 Erläuterungen
Die folgenden Aufgabenbeispiele beschreiben exemplarisch das Anspruchsniveau. Sie sollen
Anregungen für Aufgabenkonstruktionen unter Berücksichtigung der in 4.1 und 4.2 aufgeführten
Hinweise geben.
Dabei sollen die Anforderungsbereiche nach den Vorgaben in 2.1 und 2.2 in angemessener
Weise berücksichtigt werden. Die erwarteten Prüfungsleistungen und deren Bezug zu den
Anforderungsbereichen sind vor dem Hintergrund unterschiedlicher unterrichtlicher Voraussetzungen
zu sehen.
2.2 Beispiele für das Profilfach
Es werden folgende Aufgabenbeispiele beschrieben:
1. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip/ Genexpression
2. Molekularbiologie/ Nachhaltigkeit
3. Gentechnik/ Stoffwechsel
Beispiel 1: Schlüssel-Schloss-Prinzip/ Genexpression
1. Themenbereich
1. Erläutern Sie die allgemeine Bedeutung des Schlüssel-Schloss-Prinzips im Stoffwechsel
eines Organismus.
2. Nennen und erläutern Sie vier biologische Vorgänge, bei denen das Schlüssel-
Schloss-Prinzip von Bedeutung ist.
2. Themenbereich
1. Beschreiben Sie die prinzipiellen Schritte der Genexpression.
2. Vergleichen Sie die Signaltransduktion von Steroidhormonen und dem Proteohormon
Insulin.
Beispiel 2: Molekularbiologie/ Nachhaltigkeit
1. Themenbereich
1. Erläutern Sie die Funktionsweise von Restriktionsenzymen und deren Bedeutung in
der Natur sowie in der Molekularbiologie.
2. Sie erhalten die Aufgabe im Experiment zu zeigen, dass das Ergebnis eines Restriktionsverdaus
von der Inkubationszeit des Enzyms abhängt.
Erläutern Sie, worauf Sie bei der Planung und Durchführung des Experiments zu achten
haben.
2. Themenbereich
1. Erläutern Sie anhand eines Tankerunglücks das Spannungsfeld zwischen Ökonomie
und Ökologie.
2. Die Auswirkungen von solchen Unfällen auf die Umwelt können unter Einsatz von
Mikroorganismen begrenzt werden.
Erläutern Sie die zugrunde liegenden Stoffwechselschritte.
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EPA Biotechnologie Stand 30.11.2003
Beispiel 3: Gentechnik/ Stoffwechsel
1. Themenbereich
1. Zur Verbesserung der Vitamin A-Versorgung in den Entwicklungsländern Asiens soll
ein transgener Reis eingesetzt werden.
Erläutern Sie das prinzipielle Vorgehen zur gentechnischen Herstellung einer transgenen
Nutzpflanze.
2. Nennen und erläutern Sie jeweils drei Argumente der Befürworter und Gegner der
Gentechnik.
2. Themenbereich
1. Erläutern Sie die Stoffwechselwege zur Bereitstellung zellulärer Energieformen unter
aeroben Bedingungen bei Eukaryoten.
2. Erläutern Sie die Umsteuerung der genannten Stoffwechselwege, um unter anaeroben
Bedingungen Energie zu gewinnen.
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