Kaliumkanäle ermöglichen es, den geladenen Kaliumionen selektiv die hydrophobe Lipidphase von Zellmembranen zu passieren. Sie operieren in ihren Funktionen als Antagonisten von Natrium- und Kalziumkanälen, um die elektrische Erregbarkeit von Zellen zu kontrollieren. Im ZNS der Vertebraten existiert eine Vielzahl verschiedener Kaliumkanäle, welche die zeitliche Struktur von Aktionspotentialen festlegen. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden bisher unbekannte Kanäle aus den Familien der spannungsgesteuerten Kv1-/Kv3- und der kalziumsensitiven SK-/BK-Kaliumkanäle aus dem ZNS der Regenbogenforelle kloniert. Diese wurden durch heterologe Expression in Insekten- und Säugerzellen einer biophysikalischen und pharmakologischen Charakterisierung zugeführt. Gegen fünf der bekannten Kanäle wurden spezifische Antikörper hergestellt. Mit Hilfe immunhistochemischen und PCR-Techniken konnte die gewebetypische und entwicklungsspezifische Expression der Kaliumkanäle untersucht werden. Mit den in dieser Arbeit präsentierten Daten konnte die Grundlage für eine differentielle Betrachtung der funktionellen Bedeutung und des Expressionsmusters der entsprechenden Kaliumkanäle im nativen Kontext gelegt werden.

Elektrophysiologische und biochemische Charakterisierung von rekombinanten und nativen Kanalproteinen aus der inneren Chloroplasten-Hüllmembran und dem Cyanobakterium Synechocystis In der vorliegenden Arbeit wurden zwei angenommene Kaliumkanäle heterolog exprimiert und untersucht. Außerdem wurde die elektrophysiologische Charakterisierung des am Proteinimport beteiligten Proteins Tic110 durchgeführt. Ergänzt wurden diese Experimente durch eine elektrophysiologische Charakterisierung von Ionenkanälen in der inneren Chloroplasten-Hüllmembran. Sowohl in Synechocystis sp. PCC 6803 als auch in Arabidopsis thaliana konnten zwei Gene identifiziert werden, die wahrscheinlich Kaliumkanäle codieren. Das Genprodukt aus Arabidopsis ist wahrscheinlich im Chloroplasten lokalisiert und besitzt sechs putative transmembrane Durchgänge. Es ähnelt strukturell den Kaliumkanälen AKT1 und KAT1. Der potentielle Synechocystis-Kanal besitzt aufgrund von Sekundärstrukturvorhersagen Ähnlichkeit mit dem Kaliumkanal KcsA aus Streptomyces lividans und eukaryontischen Kanälen der IRK-Familie. Beide Proteine wurden als His-Tag Fusionsproteine in Baculovirus-infizierten Sf21-Insektenzellen überexprimiert und konnten in der Membranfraktion der Zellen nachgewiesen werden. Patch-Clamp-Messungen in der ’Whole-Cell’ und ’Excised-Patch’ Konfiguration an den Insektenzellen zeigten, dass keine funktionellen Kanäle in der Plasmamembran lokalisiert waren. Beide Kanäle konnten mittels nicht-ionischer Detergentien solubilisiert werden, aber nur der Synechocystis-Kanal konnte mittels Ni-Affinitätschromatographie gereinigt werden. Nach Rekonstitution des Proteins in Azolektin-Liposomen zeigte sich bei Messungen im Bilayer-System jedoch keine Kanalaktivität. Ursache hierfür ist wahrscheinlich eine zu geringe Offenwahrscheinlichkeit des Proteins oder eine nicht funktionelle Rekonstitution. Weiterhin wurden bei elektrophysiologischen Messungen mit der Bilayer-Methode Ionenkanäle in der isolierten inneren Hüllmembran von Chloroplasten untersucht. Es konnte die Existenz eines Kaliumkanals bestätigt sowie zwei bisher unbekannte Kanäle (CIMCC1 und CIMCC2) charakterisiert werden. CIMCC1 ist mäßig selektiv für Kationen (PK/PCl = 3.5), besitzt einen Haupt- und einen Unterleitwert von 680 bzw. 330 pS (in 250 mM KCl) und eine spannungsunabhängige Offenwahrscheinlichkeit von 70 %. Der Kanal könnte aufgrund seiner Eigenschaften am Transport von Aminosäuren über die innere Chloroplasten-Hüllmembran beteiligt sein. CIMCC2 ist Kationen-selektiv (PK/PCl = 5.3), besitzt einen Leitwert von 600 pS (in 250 mM KCl) und schließt bei höheren positiven bzw. negativen Membranpotentialen. Der Kanal ist durch wenige 100 nM des Präpeptids Troe33 blockierbar, weshalb er eine Rolle im Import von Proteinen in den Chloroplasten spielen könnte. Ferner konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass das Protein Tic110 nach heterologer Expression in E. coli und Rekonstitution in Liposome eine hydrophile Pore bildet, deren Eigenschaften denen von Proteinimportkanälen in der äußeren Membran von Chloroplasten und Mitochondrien ähnelt. Aufgrund einer Sekundärstrukturvorhersage und des CD-Spektrums ist, im Gegensatz zu vorherigen Annahmen, eine von b-Faltblättern dominierte Sekundärstruktur wahrscheinlich. Der durch Tic110 gebildete Kanal ist Kationen-selektiv, hat einen Leitwert von 446 pS in 250 mM KCl und einen Porendurchmesser zwischen 15 und 34 Angström. Die spannungsabhängige Offenwahrscheinlichkeit ist maximal bei kleinen Membranpotentialen und nimmt zu höheren positiven und negativen Spannungen hin ab. Weiterhin ist der Kanal durch geringe Konzentrationen des Präpeptids Troe33 (ca. 100 nM) spezifisch hemmbar. Tic110 besitzt funktionell eine starke Ähnlichkeit mit CIMCC2 in der inneren Hüllmembran, was nahelegt, dass es sich hierbei um die gleichen Proteine handelt. Ausgehend von diesen Eigenschaften ist es wahrscheinlich, dass Tic110 die Proteinimportpore der inneren Chloroplasten-Hüllmembran darstellt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.