Ionenkanäle spielen eine wichtige Rolle in allen Lebensformen - von kleinen Viren bis hin zu komplexen Tieren. Hier sind sie für ein breites Spektrum an verschiedenen Prozessen wie der zellulären Aufnahme von Viren, der Regulation des Ionengleichgewichts der Zelle, der Zellproliferation und der interzellulären Kommunikation verantwortlich. Kaliumkanäle sind selektive Ionenkanäle, die hauptsächlich Kaliumionen leiten. Die meisten Kanäle dieser Unterfamilie sind nicht ständig geöffnet sondern ihre Leitfähigkeit kann reguliert werden. Dadurch können sie auf verschiedene Umweltbedingungen reagieren und sich in Abhängigkeit von äußeren Bedingungen öffnen oder schließen. Im Menschen sind hyperpolarization-activated cyclic nucleotide-gated (HCN) Kanäle entscheidend für unterschiedlichste biologische Prozesse des neuronalen und kardiovaskulären Systems. In den Pacemaker-Zellen des Herzens, die als biologischer Herzschrittmacher dienen, steuern sie die rhythmisch auftretenden Aktionspotentiale die das Herz schlagen lassen. Im Gehirn tragen HCN-Kanäle zu verschiedenen regulatorischen Funktionen der Neuronen bei und sind an Prozessen wie dem Schlaf-Wach-Rhythmus, dem Lernen oder der Entwicklung des Gehirns beteiligt. Funktionsstörungen von HCN-Kanälen werden daher mit schweren Krankheiten wie Herzrhythmusstörungen und Epilepsie verbunden. In der vorliegenden Studie wurden molecular dynamics (MD) Simulationen zur Untersuchung von zwei wesentlichen Aspekten von HCN-Kanälen durchgeführt. Im ersten Teil wurde mithilfe von MD Simulationen untersucht, wie sich die Substitution von Aminosäuren an wichtigen Positionen des HCN1 Gens auf die Struktur und Dynamik der Kanäle auswirkt. In Kombination mit experimentellen Daten können diese Informationen Aufschluss über grundlegende Prinzipien der Kanalfunktion geben sowie zum Verständnis und zur Behandlung von Krankheiten beitragen. Aus diesem Grund wurden mehrere neu beschriebene Mutationen mit klinischer Relevanz untersucht. Ähnliche Mutationsstudien wurden auch genutzt, um die Rolle der in HCN Kanälen einzigartigen und konservierten HCN Domäne zu beschreiben. Es konnte gezeigt werden, dass die Mutation einer einzigen Aminosäure die mechanische Verbindung zwischen den Domänen des Kanals, und damit die Öffnungsfähigkeit der Kanäle, beeinflussen kann. Der zweite Teil dieser Studie konzentrierte sich auf die Ionenleitung. HCN-Kanäle unterscheiden nur in geringem Maße zwischen Kalium und Natrium und weisen eine relativ geringe Leitfähigkeit auf. Mithilfe von MD Simulationen mit einem angelegten elektrischen Feld war es möglich, Einblicke in den einzigartigen Mechanismus zu erhalten, der der Ionenleitung in HCN-Kanälen zugrunde liegt: Der vorgestellte HCN-spezifische Soft knock-on Mechanismus ist eine Alternation zwischen zwei Zuständen in denen entweder ein oder zwei Ionen an dem Selektivitätsfilter (SF) gebunden sind. Dabei sind die Ionen räumlich durch ein Wassermolekül getrennt. Innerhalb dieses Modells wird eine Theorie vorgestellt, die die geringe Selektivität in HCN Kanälen darauf zurück führt, dass sowohl Kalium als auch Natrium an die gleichen Bindungsstellen innerhalb des SF binden—dies jedoch mit unterschiedlicher Affinität. Dies wird durch Berechnungen der freien Energie ergänzt, die die experimentell ermittelte niedrige Leitfähigkeit von HCN Kanälen auf hohe Energiebarrieren innerhalb des SF zurück führt, die eine diffusionslimitierte Ionenleitung nicht erlauben.