PRAT-C2 In elektrophysiologischen Untersuchungen heterolog exprimierter PRAT-C2 Proben wurde eine Kationen-selektive Kanalaktivität mit einer dreifachen Porenstöchiometrie beobachtet. Durch Variation der experimentellen Parameter und eine detaillierte Analyse der Ergebnisse konnten seitenspezifische Eigenschaften des Kanals aufgedeckt werden, die auf eine ungleiche Ladungsverteilung hindeuten. Auf der Grundlage von Strukturvorhersagen wurde ein Topologiemodell mit vier transmembranen alpha-Helices für PRAT-C2.2 aus Arabidopsis thaliana erstellt. Die zum Stroma und Intermembranraum exponierten Sequenzabschnitte weisen eine sehr unterschiedliche Verteilung geladener Aminosäuren auf. Das Schaltverhalten des Kanals wurde sowohl durch das Signalpeptid eines chloroplastidären als auch eines mitochondrialen Präproteins beeinflusst. Trotz einer Reaktion auf den spezifischen Antikörper gegen PRAT-C2.1 wurden Hinweise dafür erbracht, dass es sich bei der Kanalaktivität um eine porenbildende Kontamination aus dem bakteriellen Expressionssystem handelte. Tic110 Durch den Vergleich der Eigenschaften von Tic110, aufgereinigt aus Chloroplasten von Pisum sativum, und einer verkürzten, heterolog exprimierten Form konnte gezeigt werden, dass der porenbildende Sequenzabschnitt jenseits der ersten 96 Aminosäuren liegt. Die Kanalaktivität zeichnete sich durch ein charakteristisches Schaltverhalten aus, wobei die Schaltfrequenz durch eine Wechselwirkung mit Ca2 -Ionen beeinflusst wurde. Tic110 zeigte eine Präferenz gegenüber Kationen, die jedoch von der Konformation des Kanals abhängig war und in Anwesenheit zweiwertiger Kationen abnahm. Cu2 -Ionen führten ab Konzentrationen von 2 mM zu einem kompletten Stromblock. Ob dieser Effekt auf der Bildung einer Disulfidbrücke basiert und damit biochemische Ergebnisse bekräftigt werden, die eine Regulation durch das Thioredoxin-System im Chloroplasten vermuten lassen, konnte anhand der vorliegenden Ergebnisse nicht eindeutig geklärt werden.

In der vorliegenden Arbeit konnte am rekombinanten Tom40 aus Neurospora crassa und aus Saccharomyces cerevisiae gezeigt werden, dass in beiden Spezies ein einziges Tom40-Molekül in der Lage ist ein membrandurchspannendes Beta-Barrel Protein aus 16 transmembranen Beta-Strängen auszubilden. Tom40 aus beiden Spezies bildet einen kationenselektiven Kanal dessen charakteristischer Hauptleitwert eine gute Übereinstimmung zu publizierten Werten zeigt und genau einer porenbildenden Einheit im TOM-Komplex entspricht. Ein generell unterschiedliches Verhalten von Tom40 durch eine Fehlfaltung des zuvor denaturierten Proteins, kann also ausgeschlossen werden. Der Kanal interagiert seitenabhängig mit aminoterminalen mitochondrialen Präsequenzen. Die Spezifität der Wechselwirkung mit Tom40 ist jedoch geringer als die mit dem TOM-Komplex. In elektrophysiologischen Untersuchungen des SAM-Komplexes aus Saccharomyces cerevisiae konnte gezeigt werden, dass Sam50 die charakteristische porenbildende Einheit im Komplex darstellt. Sam50 aus Saccharomyces cerevisiae und Homo sapiens bilden kationenselektive Kanäle, wobei der Hauptleitwert im humanen Protein signifikant größer als im Hefe-Protein ist. Der evolutiv konservierte C-Terminus von Sam50 reicht hierbei aus diese Pore zu bilden, ist aber im Vergleich zum Volllängenprotein stark im Schaltverhalten beeinträchtigt. Die elektrophysiologischen Eigenschaften von Sam50, spiegeln exemplarisch die Werte verwandter Poren der Omp85-Familie wider. Der Sam50-Kanal wird im SAM-Komplex durch die ebenfalls essenzielle Komponente Sam35 reguliert. Es konnte gezeigt werden, dass sich durch eine Interaktion von Sam35-Protein mit einem konservierten Beta-Signalpeptid der Komplex in einen aktiven Zustand größerer Leitfähigkeit überführen lässt, der sich durch ein dynamisches Schaltverhalten und das Auftreten multipler Leitwerte auszeichnet, wobei im Komplex mehrere Porenproteine am Stromfluss beteiligt sind.

Kanalrhodopsine (ChRs) sind eine Gruppe von lichtgesteuerten Ionenkanälen, die ursprünglich aus motilen Algen stammen. In ihren nativen Organismus vermitteln sie die Bewegung zu optimalen Lichtbedingungen. In der biologischen Forschung hingegen werden ChRs eingesetzt, um die Erregbarkeit spezifischer Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung optisch zu steuern, ein Forschungsfeld, was als Optogenetik bezeichnet wird. Es wurden zahlreiche ChRs mit unterschiedlichen Eigenschaften charakterisiert und entwickelt, darunter solche, die selektiv für H+, Na+, K+ und Anionen sind. Im Gegensatz dazu sind bisher keine Ca2+-selektiven ChRs bekannt. In Anbetracht der Dominanz der von Kalzium in zellulären Signalwegen in allen Reichen des Lebens, würde ein Ca2+-leitendes ChR präzise Photokontrolle einer Vielzahl von zellulären Prozessen ermöglichen. In dieser Arbeit wurden Chlamydomonas reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) Mutanten, die mit einer Erhöhung der Ca2+-Leitfähigkeit einhergehen, elektrophysiologisch charakterisiert und systematisch verglichen. Von den getesteten Varianten zeigten diejenigen, die eine Erhöhung der negativen Ladung am Selektivitätsfilter des Kanals, dem zentralen Tor, verursachen, erhebliche Auswirkungen auf die Leitfähigkeit für Ca2+ bei negativen Membranspannungen. Daraufhin wurden gezielt homologe Mutationen an mehreren verwandten ChRs eingeführt wodurch erfolgreich zwei Kalzium-durchlässige Kanalrhodopsine (CapChR1 und 2) erzeugt werden konnten. Die erweiterte Charakterisierung der CapChRs ergab eine unterdrückte Na+-Leitfähigkeit und eine erhöhte Ca2+-Durchlässigkeit bei negativen Spannungen. Bei niedrigen extrazellulären Konzentrationen des zweiwertigen Kations zeigten Kalzium-Imaging Experimente die Überlegenheit von CapChR2 bei der Vermittlung des durch Licht ausgelösten Ca2+-Einstroms in kultivierten Zellen. / Channelrhodopsins (ChRs) constitute a group of light-gated ion channels originating from motile algae. In their native organisms, they mediate movement towards optimal light conditions. In biological research, ChRs are employed to optically control excitability of specific cells with a high spatiotemporal resolution in a field commonly referred to as optogenetics. Numerous ChRs with varying properties have been characterized and engineered, including members that are selective for H+, Na+, K+ or anions. In contrast, no Ca2+-selective ChRs have been reported to date. Given the dominance of calcium signaling across the kingdoms of life, a Ca2+-conducting ChRs would enable precise photocontrol of a multitude of cellular processes. In this work, mutants of Chlamydomonas reinhardtii channelrhodopsin 2 (CrChR2) associated with an increase in Ca2+-conductance were characterized via electrophysiology and compared systematically. Out of the tested variants, those increasing the negative electric charge at the selectivity filter of the channel, the central gate, were found to have substantial effects on the conductance for Ca2+ at negative membrane voltages. Subsequently, targeted mutations on several related ChRs were introduced in order to produce two calcium-permeable channelrhodopsins (CapChR1 and 2). Extended characterization of the engineered CapChRs revealed suppressed Na+ conductance and increased Ca2+ permeation at negative voltages. At low extracellular concentrations of the divalent cation, calcium imaging experiments demonstrated the superiority of CapChR2 in mediating light-triggered Ca2+-influx in cultured cells.

Die Fähigkeit, eine interne Repräsentation der Außenwelt zu schaffen, ist ein grundlegender Aspekt, der alle lebenden Organismen höherer Ordnung verbindet und ihr Überleben sichert. Bei diesem Prozess kodiert der Thalamus sensorische Informationen, die er von der sensorischen Peripherie erhält, und leitet sie zur weiteren Verarbeitung an kortikale Zentren weiter. Dieses Wissen beruht auf der Untersuchung der Verarbeitung der meisten Sinnesmodalitäten. Die physiologische Funktion des Thalamus bei der Verarbeitung nicht schmerzhafter Temperaturen und dessen Wahrnehmungsrelevanz sind jedoch nach wie vor wenig untersucht, da der Schwerpunkt bereits veröffentlichter Arbeiten oft auf der homöostatischen Regulierung der Körpertemperatur und der Verarbeitung schmerzhafter Temperaturen lag. Darüber hinaus konzentrierten sich diese Studien in der Regel auf die Identifizierung eines zentralen thalamischen Verarbeitungszentrums und ließen außer Acht, dass Temperatur parallel von verschiedenen thalamischen Kernen verarbeitet wird. Die vorliegende Studie versucht, diese Einschränkungen zu überwinden, indem sie eine detaillierte und groß angelegte Untersuchung der Thalamus spezifischen thermischen Verarbeitung, der Konnektivität zu kortikalen Bereichen und des Einflusses auf das Verhalten der drei somatosensorisch assoziierten Thalamuskerne vornimmt. Diese beispiellose Untersuchung der Temperaturverarbeitung im Thalamus hat eine vielschichtige thermische Darstellung mit ortsspezifischen Unterschieden in der Temperaturkodierung und der Konnektivität mit temperaturempfindlichen kortikalen Regionen aufgedeckt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass der Thalamus für die Temperaturwahrnehmung von wesentlicher Bedeutung ist, was die Relevanz des Thalamus bei der Verarbeitung von Temperatur unterstreicht. / The capability to create an internal representation of the external world is a fundamental aspect that unites all living higher-order organisms and ensures their survival. In this process, the thalamus encodes sensory information, which it receives from the sensory periphery and relays to cortical centers for subsequent processing. This knowledge is built upon the investigation of the processing of most sensory modalities. However, the physiological thalamic function in processing innocuous temperature and its perceptual relevance remains elusive due to a focus on the homeostatic regulation of body temperature as well as the processing of painful temperatures of already published work. In addition, these studies usually focused on identifying a central thalamic processing hub and failed to recognize that temperature is processed in a parallel manner by various thalamic nuclei. This study will attempt to overcome these limitations by undertaking a detailed and large-scale exploration of thermal processing, connectivity to cortical areas, and the influence on the behavior of three somatosensory-associated thalamic nuclei. This unprecedented study of thermal processing in the thalamus has uncovered a multi-faceted thermal representation with location-specific differences in temperature encoding and connectivity with temperature-sensitive cortical regions. Moreover, it is demonstrated that the thalamus is essential for temperature perception, which emphasizes the relevant roles of multiple thalamic nuclei in the physiological processing of temperature and perception.

AMPA-Rezeptoren sind entscheidend für ein funktionsfähiges Nervensystem von Säugetieren und spielen eine Schlüsselrolle bei exzitatorischen Neurotransmitter-Reaktionen im zentralen Nervensystem. Insbesondere die post-transkriptionale Modifizierung des GluA2-Untertyps beeinflusst die Permeation von Kalzium. Diese Arbeit untersucht den Permeationsmechanismus verschiedener Kationentypen durch die Kanäle des AMPA-Rezeptors mittels Molekulardynamik-Simulationen (MD). Die Untersuchung konzentriert sich auf die Q/R modifizierten Untereinheiten des AMPAR-Tetramers und zeigt, dass die Permeation von monovalenten Kationen wie Kalium und Caesium ähnliche Eigenschaften in Simulationen wie im Labor aufweist. Jedoch stellen Natrium und Kalzium aufgrund hoher Hydrationsenergien eine Herausforderung dar, die mit einem neu entwickelten multi-site Modell für Kalzium überwunden wird. Die Simulationen zeigen, dass monovalente Kationen während der Permeation etwa die Hälfte ihrer Wasserschale verlieren, während Kalzium seine erste Hydrathülle aufrechterhält. Dies legt einen wassermediierten Mechanismus für die Kationenpermeation nahe. Interessanterweise blockiert die Q/R Modifikation die Kalziumpermeation und während sie die Leitfähigkeit für monovalente Kationen nur verringert. Die Ergebnisse weisen jedoch auf eine eingeschränkte einwärtsgerichtete Permeationsrate im Vergleich zu Labormessungen und auswärtsgerichteten Permeationen hin, was in der Arbeit eingehend diskutiert wird. / The excitatory neurotransmission mediated by AMPA receptors (AMPARs) is essential for numerous higher brain functions, and abnormalities in their function have been implicated in severe neurodevelopmental disorders. This study employs molecular dynamics (MD) simulations to investigate the mechanisms underlying cation permeation through AMPAR channels with various compositions, shedding light on their functional dynamics. By conducting simulations under transmembrane potentials and utilizing advanced force fields, we explore the permeation of potassium, cesium, and calcium ions. Our results show that advanced models accurately capture calcium conductance, providing insights into the behavior of cations and water molecules during permeation, particularly highlighting the crucial role of the selectivity filter in facilitating ion passage. Additionally, we investigate the impact of natural editing of AMPAR subunits, revealing that the replacement of glutamine with arginine diminishes calcium conductance while allowing monovalent cation permeation. Moreover, simulations with edited subunit compositions demonstrate the differential effects on potassium and calcium permeation, providing further understanding of the structural determinants governing ion selectivity. Furthermore, our investigations into permeation dynamics in both inward and outward directions uncover intriguing differences that warrant further exploration. Overall, this thesis contributes to elucidating the intricate mechanisms underlying cation permeation through AMPAR channels, offering valuable insights into their role in neurotransmission and potential implications for therapeutic interventions targeting neurodevelopmental disorders.

Das Membranstrommuster von Oligodendrozyten verändert sich während der Entwicklung dieser zellen sehr stark. Während die Membranleitfähigkeit von Oligodendrozyten-Vorläuferzellen von auswärts rektifizierenden Kaliumkanälen geprägt ist, exprimieren reife Oligodendrozyten passive, nicht spannungsabhängige Kaliumkanäle. Die Aktivität dieser Kanäle beeinflußt die Proliferation und Differenzierung dieser Zellen. In der vorliegenden Arbeit wurde die Expression von spannungsaktivierbaren Kaliumkanälen des Kv1-Typs (Shaker-Typ) in kultivierten Oligodendrozyten-Vorläuferzellen anhand der Transkriptexpression, der Expression von Kv1-Proteinen und der elektrophysiologischen und pharmakologischen Analyse der Membranströme untersucht. Auf mRNA Ebene wurden unterschiediche Kombinationen von Kv1.1, Kv1.4; Kv1.5 und Kv1.6 Transkripten gefunden. Ebenfalls wurde in einigen Zellen eine signifikante Menge an Kv1.2 und Kv1.3 Transkripten gefunden. Die Heterogenität der Transkriptexpression konnte nicht mit Unterschieden in den elektrophysiologischen Eigenschaften korrelliert werden. Die Expression der Kv1 Proteine wurde mit Hilfe von immunozytochemischen Färbungen mit spezifischen polyklonalen Antikörpern gegen die Kanäle Kv1.1 bis Kv1.6 untersucht. Alle Oligodendrozyten-Vorläuferzellen exprimierten die Kanäle Kv1.4 (85% der Zellen), Kv1.5 (99 %) und Kv1.6 (99 %), Kv1.1 Proteine wurden von 10 % der Zellen gebildet. Um den funktionellen Beitrag der Kv1 Kanäle zum Gesamtzellstrom zu bestimmen, wurde die Stromaktivierung und -inaktivierung sowie die Sensitivität der Ströme gegen die spezifischen Kaliumkanalblocker getestet. Dabei wurden durch TEA (1-100 mM), 4-AP (0,125-1 mM) und Chinidin (5-100 mM) jeweils ein großer Teil der Ströme gehemmt, durch CTX, DTX und MCDP wurde die Kanalaktivität nicht beeinflußt. Um den Beitrag der Kanalproteine Kv1.4 bzw. Kv1.1 zu den elektrophysiologischen Eigenschaften des Gesamtzellstromes zu testen, wurden an einzelnen Oligodendrozyten-Vorläuferzellen kombinierte elektrophysiologische Untersuchungen und immunozytochemische Färbungen durchgeführt. Dabei konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen Kv1./Kv1.4 positiven und Kv1.1/Kv1.4 negativen Zellen festgestellt werden. Aus den Untersuchungen ergeben sich folgende Schlußfolgerungen: Oligodendrozyten exprimieren eine Vielzahl unterschiedlicher Kv1 Transkripte.Die überwiegende Mehrzahl der Oligodendrozyten-Vorläuferzellen exprimieren die Kv1 Proteine Kv1.4, Kv1.5 und Kv1.6.Der Gesamtzellstrom kann vorwiegend durch Kv1.5 Kanäle oder durch eine Kombination von Kv1.4/Kv1.6 Kanälen sowie durch Mitglieder anderer Familien spannungsabhängiger Kaliumkanäle getragen werden. Um zu untersuchen, ob spannungsabhängige Kaliumkanäle durch die Aktivierung von inhibitorischen Neurotransmitterrezeptoren beeinflußt werden, wurden kultivierte Körnerzellen als Modellsystem verwendet, da diese eine hohe Dichte an Kv Kanälen sowie an GABA Rezeptoren exprimieren. Im "cell-attached" Modus der Patch-Clamp-Technik wurde die Reaktion von einzelnen auswärts rektifizierenden Kaliumkanälen während der GABA-Antwort untersucht. Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, daß die Öffnungswahrscheinlichkeit dieser Kanäle während der Reaktion der Zelle auf GABA stark zurückgeht. Da Oligodendrozyten-Vorläuferzellen ebenfalls GABAA-Rezeptoren exprimieren, ist anzunehmen, daß deren Aktivierung über einen analogen Mechanismus zur Blockierung von Kaliumkanälen führt. / The membrane current pattern of oligodendrocytes changes dramatically during cell development. In oligodendrocyte precursor cells the membrane conductance is dominated by outwardly rectifying potassium channels, mature oligodendrocytes on the other hand express passive, not voltage-gated potassium channels. The activity of these channels influences the proliferation and differentiation of the cells. In the present work the expression of outwardly-rectifying potassium channels of the Kv1-type (Shaker-type) was analysed in oligodendrocyte precursor cells in culture. Expression of Kv1 transcripts, Kv1 proteins as well as electrophysiological and pharmacological properties of these channels were tested. Different combinations of Kv1.1, Kv1.4, Kv1.5 and Kv1.6 transcripts were detected at mRNA level. In some cells also a significant amount of Kv1.2 and Kv1.3 transcripts was found. The heterogeneity of transcript expression could not be correlated with differences in electrophysiological properties. The expression of Kv1 channel proteins was analysed using immunocytochemical stainings with specific monoclonal antibodies against the channel molecules Kv1.1 to Kv1.6. All oligodendrocyte precursor cells expressed the channel molecules Kv1.4 (85 % of the cells), Kv1.5 (99 %) and Kv1.6 (99 %), Kv1.1 proteins were detected in 10 % of the cells. To find out the functional contribution of Kv1 channels to the whole-cell current of the cells the activation and inactivation characteristics as well as the sensitivity of the potassium current to different potassium channel specific antagonists was tested. Parts of the current were inhibited by TEA (1-100 mM), 4-AP (0,125-1 mM) and Chinidin (5-100 mM), CTX, DTX and MCDP had no effect on the channel activity. To isolate the contribution of the channel molecules Kv1.1 and Kv1.4 the electrophysiological properties of the whole cell current electrophysiological analysis of single cells using whole-cell patch-clamp technique and immunocytochemical stainings were combined. With this method no significant differences between Kv1.1/Kv1.4-positive and Kv1.1/Kv1.4 negative cells could be detected. From these findings the following conclusions could be drawn: Oligodendrocyte precursors express various different Kv1 transcripts.The majority of oligodendrocyte precursor cells expresses the Kv1 proteins Kv1.4, Kv1.5 and Kv1.6.The total current (whole-cell current) most likely is carried through Kv1.5 channels or a combination of Kv1.4/Kv1.6 channels and probably another type of voltage-gated potassium channels. To find out if voltage-gated potassium channels are related to the activation of inhibitory neurotransmitter receptors a model system of cultured granule cells was used. This cell type was selected because they are known to express a high density of Kv channels as well as GABAA receptors as well. The activity of single outwardly rectifying potassium channels was detected using the cell-attached mode of patch-clamp technique. With this method it could be demonstrated that the open probability of voltage-gated potassium channels is markedly decreased during GABAA response. It could be concluded that the activation of GABAA receptors on oligodendrocyte precursor cells leads to the inhibition of potassium channels in the same way as in cultured granule cells.

Channelrhodopsin-2 ist ein lichtaktivierter Kationenkanal, der zur nichtinvasiven Steuerung neuronaler Aktivität verwendet wird. Einige grundlegende Eigenschaften dieses Proteins sind bereits bekannt, aber die molekularen Mechanismen des Ionentransports und der Aktivierung liegen noch weitgehend im Dunkeln. Ziel dieser Studie war es, anhand von Mutationsstudien die Funktion einzelner Aminosäuren zu bestimmen. Dazu habe ich gezielt potentiell wichtige Reste substituiert und die Channelrhodopsin-2-Varianten elektrophysiologisch untersucht. Um die aufgetretenen Änderungen beim Ionentransport und den Kanalkinetiken zu erklären, habe ich verschiedene mathematische Modelle an die experimentellen Daten angepasst. Dabei stellte sich heraus, dass die Reste H134 und E90 Schlüsselpositionen für den Protonentransport sind. Außerdem haben auch die Reste E235 und D253 einen großen Einfluss auf den Ladungstransport. Dagegen wird die Kanalöffnung von C128 und D156 kontrolliert. Des Weiteren kontrolliert E123 die Übergänge zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen von Channelrhodopsin-2. Aus der zielgerichteten Mutation von Aminosäuren resultierten Varianten, die langsamere oder schnellere Kinetiken hatten oder eine bessere Expression zeigten als der Wildtyp. Das Anwendungspotential der modifizierten Kanäle wurde in Kooperationen mit neurophysiologischen Arbeitsgruppen untersucht. Dadurch konnten drei neue Typen von Channelrhodopsinen in die Neurophysiologie eingeführt werden. Die step-functions opsins führen zu einer anhaltenden Membrandepolarisation, die die Erregbarkeit von Neuronen gegenüber synaptischen Inputs erhöht. ChETA erlaubt das zeitlich präzise Auslösen von Aktionspotentialen auch bei sehr hohen Anregungsfrequenzen. T159C und E123T/T159C ermöglichen durch ihre großen Photoströme und optimierten Kinetiken eine hohe Zuverlässigkeit bei der optischen Steuerung neuronaler Aktivität. Dadurch wird das Anwendungsspektrum von Channelrhodopsin-2 erheblich erweitert. / Channelrhodopsin-2 is a light-activated cation channel which has become a very useful tool in neurophysiology, since it allows the noninvasive control of neural activity. Some of the basic features of this channel are known from previous studies, but the molecular mechanisms of ion translocation and activation are largely unknown. The aim of my thesis is to elucidate the function of single amino acids by mutational studies. I replaced potentially important residues and probed the constructs by electrophysiological measurements under various conditions. Additionally, I fitted the experimental data to several mathematical models in order to explain changes in ion permeabilities and channel kinetics and I assigned particular functions to the mutated residues. Apparently, H134 and E90 are key positions for the proton transportation. Mutations at E235 and D253 also strongly influence ion translocation, whereas C128 and D156 obviously control the channel opening. Moreover, I found that E123 is a key element for the channel activation which controls the transitions between conducting and non-conducting states of Channelrhodopsin-2. The genetically modified Channelrhodopsin-2-variants provide several favorable features, such as, a slower or faster channel opening and closing or an optimized expression. Therefore, we tested the potential of promising constructs for applications in collaboration with neurophysiology laboratories. Finally, we introduced three new tools. First, step-function opsins induce a sustained membrane depolarization which sensitizes neurons to native synaptic inputs. Second, the ChETA variant allows the temporally precise generation of action potentials even at high stimulation frequencies. Third, T159C and E123T/T159C provide large photocurrents and optimized kinetics resulting in an improved performance in the noninvasive control of neural activity. In summary, this significantly broadens the range of application for channelrhodopsin-2.

Heuschrecken nutzen die akustische Kommunikation zum Auffinden eines geeigneten Paarungspartners. Sie produzieren artspezifische Gesänge, die aus Silben und Pausen festgelegter Dauer bestehen. Den Weibchen dienen diese Gesänge nicht nur zur Erken-nung der Artzugehörigkeit – und somit zur Vermeidung von Hybriden -, sondern dar-über hinaus als Informationsquelle über die Qualität der Männchen. Den Männchen hilft der weibliche Antwortgesang beim Auffinden der Weibchen. Die Attraktivität verschiedener artifizieller Gesangsattrappen für Männchen und Weib-chen wurde in Verhaltensexperimenten untersucht. Es zeigte sich ein starker Zusam-menhang zwischen der Attraktivität und den gewählten Parametern, insbesondere der Pausendauer. Die Reaktionen von auditorischen Neuronen des Metathorax und des Oberschlundganglions auf diese Stimuli wurden charakterisiert. Die durch diese Neuro-ne transportierte Informationsmenge bezüglich der variierten Parameter sowie ihr zeitli-cher Verlauf wurde bestimmt. Durch die Kombination von Verhaltensversuchen und elektrophysiologischen Untersu-chungen an denselben Tieren konnte ein Zusammenhang zwischen Verhalten und Spi-keantworten bei einer aufsteigenden Zelle hergestellt werden. Für diese Zelle wird ein Modell zur Pausendauerdetektion vorgestellt. Hierbei werden mittlere Pausendauern – die für Weibchen attraktiv sind – mit höheren Spikezahlen beantwortet als kurze und lange Pausen. Dies kommt durch unterschiedliche Zeitverläufe von Adap¬tation und Rückkehr aus der Adaptation bei den exzitatorischen und inhibitorischen Eingängen der Zelle zustande. / Grasshoppers use acoustic communication to find a sexual partner. They produce species-specific songs, which consist of syllables and pauses of a fixed duration. The male songs enable the females not only to recognize conspecifics – and thus to avoid hybridization – but also to obtain information about the quality of the males. Males take advantage of the females’ response songs in localizing the female. The attractiveness of various artificial stimuli for males and females was studied in behavioral experiments. A strong correlation between the attractiveness and the chosen parameters - especially the pause duration - could be found. The responseproperties of auditory neurons in the metathoracic ganglion and the supraoesophageal ganglion have been characterized. The transmitted information and its temporal course was determined. By performing behavioral and electrophysiological experiments with the same animals, I found a correlation between behaviour and spike responses in an ascending neuron (AN3). The tuning of this cell for pause duration was modelled as the result of different time courses of adaptation of the cells excitatory and inhibitory inputs. In this model pauses of intermediate duration – which are most attractive to females – generate more action potentials than shorter or longer pauses.

Um eine mögliche elektrophysiologische, kardiale Ursache für den plötzlichen Tod von STIM2 Knock-Out Mäusen zu prüfen, wurde eine elektrophysiologische Charakterisierung mittels Ruhe- und Stress-EKG, telemetrischem Langzeit-EKG sowie Elektrophysiologischer Untersuchung durchgeführt. Hierbei konnte keine kardial-elektrophysiologische Grundlage für den plötzlichen Tod dieser Tiere gefunden werden. / For testing a possible electrophysiological, cardiac reason for the sudden death of STIM2 knockout mice, a electrophysiological characterization was performed by use of resting and stress ecg, telemetric long-term ecg and electrophysiology study. In this study couldn't be found any cardiac electrophysiological cause for the sudden death of these animals.

Kaliumionen (K⁺) sind die am häufigsten vorkommenden anorganischen Kationen in Pflanzen. Gemessen am Trockengewicht kann ihr Anteil bis zu 10% ausmachen. Kaliumionen übernehmen wichtige Funktionen in verschiedenen Prozessen in der Pflanze. So sind sie z.B. essentiell für das Wachstum und für den Stoffwechsel. Viele wichtige Enzyme arbeiten optimal bei einer K⁺ Konzentration im Bereich von 100 mM. Aus diesem Grund halten Pflanzenzellen in ihren Kompartimenten, die am Stoffwechsel beteiligt sind, eine kontrollierte Kaliumkonzentration von etwa 100 mM aufrecht.<br><br> Die Aufnahme von Kaliumionen aus dem Erdreich und deren Transport innerhalb der Pflanze und innerhalb einer Pflanzenzelle wird durch verschiedene Kaliumtransportproteine ermöglicht. Die Aufrechterhaltung einer stabilen K⁺ Konzentration ist jedoch nur möglich, wenn die Aktivität dieser Transportproteine einer strikten Kontrolle unterliegt. Die Prozesse, die die Transportproteine regulieren, sind bis heute nur ansatzweise verstanden. Detailliertere Kenntnisse auf diesem Gebiet sind aber von zentraler Bedeutung für das Verständnis der Integration der Transportproteine in das komplexe System des pflanzlichen Organismus. <br><br> In dieser Habilitationsschrift werden eigene Publikationen zusammenfassend dargestellt, in denen die Untersuchungen verschiedener Regulationsmechanismen pflanzlicher Kaliumkanäle beschrieben werden. Diese Untersuchungen umfassen ein Spektrum aus verschiedenen proteinbiochemischen, biophysikalischen und pflanzenphysiologischen Analysen. Um die Regulationsmechanismen grundlegend zu verstehen, werden zum einen ihre strukturellen und molekularen Besonderheiten untersucht. Zum anderen werden die biophysikalischen und reaktionskinetischen Zusammenhänge der Regulationsmechanismen analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse erlauben eine neue, detailliertere Interpretation der physiologischen Rolle der Kaliumtransportproteine in der Pflanze. / Potassium ions (K⁺) are the most abundant anorganic cations in plants. They can constitute up to 10% of the plant dry weight. Potassium ions play important roles in different processes in the plant. For example, they are essential for growth and for metabolism. Many important enzymes work optimally at a K⁺ concentration within the range of about 100 mM. Therefore, plant cells maintain a controlled potassium concentration of approximately 100 mM in their compartments, which are involved in metabolism. <br><br> The uptake of potassium ions from the soil and their transport within the plant and within a plant cell is accomplished by different potassium transporter proteins. However, the maintenance of a stable K⁺ concentration is only possible if the activity of these transporter proteins is subject to strict control. Up today the processes regulating the transporter proteins are only rudimentarily understood. More detailed knowledge in this area is, however, of central importance for the understanding of the integration of the transporter proteins into the complex system of the plant organism. <br><br> This Habilitation-thesis summarizes own publications, in which the investigations of different regulation mechanisms of plant potassium channels are described. These investigations cover a spectrum of different protein-biochemical, biophysical and plant-physiological analyses. In order to understand the regulation mechanisms, on the one hand their structural and molecular characteristics are examined. On the other hand the biophysical and reaction-kinetic properties of the regulation mechanisms are analyzed. The obtained insights allow a new, more detailed view on the physiological role of potassium transporter proteins in the plant.