离子通道是一种在生物膜上形成跨膜孔道的蛋白质，允许特定的离子在不同区室之间通过。细胞膜上的通道将细胞内部与周围环境连通；另一些通道则在细胞内膜上发挥作用。离子通道的活动是电信号传递、肌肉收缩和许多分泌过程的基础。与泵不同，通道以被动方式传导离子：离子的净移动由浓度差和电场力共同决定，而不是将离子逆着这一梯度输送。(ncbi.nlm.nih.gov)
结构与离子选择性
离子通道的跨膜区域围成一条含水通路。其结构形式多样：一个有功能的通道可以由多个蛋白质亚基组成，也可以由同一个大型蛋白质中的多个重复结构域组成。许多钾通道含有四个形成孔道的亚基，而电压门控钠通道和钙通道的主要亚基中则含有四个同源结构域。与通道结合的其他蛋白质也可以改变通道的功能特性。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
孔道并不只是一个具有特定直径的孔洞。其最狭窄的区域通常称为选择性滤器，能营造一种更有利于某些离子而非其他离子通过的化学环境。选择性取决于孔道的几何形状、氨基酸基团的排列、电相互作用，以及改变离子周围水合层所需的能量。在钾通道中，滤器内的氧原子与钾离子配位，取代通常由水分子提供的相互作用。这有助于解释为什么钠离子虽然尺寸更小，却仍难以通过这些通道。(nobelprize.org)
不同通道家族的选择性差异很大。有些通道高度偏好钾、钠、钙或氯离子；另一些则能传导多种带正电的离子。一个开放的通道每秒可让数百万个离子通过，因此通道尤其适合快速改变膜的电学性质。(ncbi.nlm.nih.gov)
门控与分类
门控是指通道在导通与不导通构象之间的转换。通道会在不同状态之间波动，刺激通常改变的是通道开放的概率，而不是迫使所有通道都进入同一种状态。有些通道还会进入失活状态，此时即使激活刺激仍然存在，离子传导也会停止。(ncbi.nlm.nih.gov)
通道通常按其主要门控机制分类：
- 电压门控通道对膜电位的变化作出响应。蛋白质内的带电区域充当电压感受器，并将自身的运动与孔道开放相耦联。
- 配体门控通道对配体的结合作出响应。在许多化学突触中，神经递质直接与通道受体结合，改变其电导。
- 机械敏感通道对作用于膜或相关结构的机械力作出响应。PIEZO通道就是参与触觉和身体位置感知的例子。
- 温度敏感通道对温度条件作出响应。瞬时受体电位家族中包含与热感知或冷感知有关的通道。(ncbi.nlm.nih.gov)
这些类别之间存在重叠。同一个通道可能对多种输入作出响应，例如电压和细胞内钙。“漏”通道提供背景电导，但这一名称并不一定意味着它们的活动完全不受调节。(ncbi.nlm.nih.gov)
电化学驱动力
离子通过通道的移动遵循电化学梯度，这一梯度综合了浓度差的作用和电压对电荷的作用。因此，如果反方向的电场力足够强，离子就可以逆着自身的浓度梯度移动。通道为被动扩散提供通路；泵和耦联转运体则建立或维持使这种移动成为可能的梯度。(ncbi.nlm.nih.gov)
对于仅允许一种离子通过的膜，能斯特方程给出了该离子的化学驱动力与电驱动力达到平衡时的电压。在这一平衡电位下，单个离子仍可能双向跨膜，但净通量为零。因此，选择性通道的开放往往会使膜电位趋向其所传导离子的平衡电位。由此产生的电流同时取决于电导和驱动力，而不仅仅取决于通道是否开放。(ncbi.nlm.nih.gov)
生理功能
在神经元中，钠通道和钾通道协调活动，产生并传播动作电位。钠离子内流可引起快速去极化，而钠通道失活和钾电导增加则有助于使膜电位恢复到更负的水平。在突触处，钙离子进入突触前末梢，触发神经递质释放；随后，递质门控通道改变接收信号的细胞的电学性质。(ncbi.nlm.nih.gov)
通道还将电活动与肌肉收缩联系起来，并控制信号物质的释放。细胞内膜上的钙通道释放储存的钙，使细胞质钙浓度的变化能够调节细胞反应。这些功能表明，离子通道的作用并不限于神经信号传递。(pdb101.rcsb.org)
感觉通道将物理或化学刺激转化为电信号。TRPV1对辣椒素和伤害性高温作出响应，TRPM8参与冷觉，PIEZO2则参与触觉和本体感觉。因此，不同的门控机制在环境刺激与神经系统活动之间建立了分子层面的联系。(nobelprize.org)
实验研究与医学意义
膜片钳记录利用与膜紧密封接的细玻璃微管来测量电流，包括流经单个通道的电流。相关的电压钳方法在记录电流的同时控制膜电位，有助于区分电压依赖性门控与离子驱动力的作用。包括X射线晶体学和冷冻电子显微术在内的结构研究方法，可以揭示孔道、选择性滤器及构象变化。(ncbi.nlm.nih.gov)
突变可通过改变门控、离子传导、蛋白质折叠或通道向膜的转运，损害离子通道的功能。由通道功能异常引起的疾病称为离子通道病。一个已得到充分证实的例子是囊性纤维化，其中CFTR氯离子通道的缺陷会扰乱上皮离子转运。某些CFTR变异还会降低蛋白质的稳定性，减少细胞表面可发挥功能的通道数量。(ncbi.nlm.nih.gov)