Ionenkanäle finden sich in den Zellmembranen aller biologischen Zellen. Die Kanäle werden von Proteinen gebildet, die Poren in der Plasmamembran bilden. Die Poren ermöglichen es Ionen, die die Zellmembran nicht direkt passieren können, in und aus Zellen zu wandern. Die meisten Kanäle bestehen aus mehr als einem Protein und sind eigentlich Komplexe von Proteinen, die sich innerhalb der Membran befinden.
Ionen sind eine Art von Atom, die sich durch eine ungleiche Anzahl von Elektronen und Protonen unterscheiden. Das Ion hat entweder eine negative oder eine positive Ladung, je nachdem, ob mehr Elektronen bzw. Protonen vorhanden sind. Die Phospholipid-Doppelschicht, aus der eine Zellmembran besteht, hat ihre eigene Ladung und wirkt tatsächlich als Barriere für Ionen, die sie frei passieren. Aus diesem Grund sind Ionenkanäle innerhalb von Zellmembranen notwendig.
Ionenkanäle wirken als elektrische Isolatoren und bieten einen Weg für Ionen, um entweder in eine Zelle hinein oder aus dieser heraus zu gelangen. Jeder Ionenkanal wirkt dabei als Katalysator, der das Ion von einer Seite der Zellmembran zur anderen bewegt. Der Kanal kann entweder offen oder geschlossen sein, wobei der Übergang zwischen den beiden Zuständen stattfindet, wenn ein Ion an die richtige Stelle des Ionenkanals bindet.
Der Wechsel zwischen offenem und geschlossenem Zustand eines Ionenkanals wird als Gating bezeichnet. Externe Faktoren spielen eine Rolle, ob das Tor geöffnet oder geschlossen ist. Es gibt verschiedene Gruppen von Ionenkanälen und sie können danach gruppiert werden, welche physikalischen und chemischen äußeren Faktoren beim Öffnen und Schließen des Gates eine Rolle spielen.
Einige Ionenkanäle sind „ligandengesteuert“ und diese öffnen und schließen sich, wenn ein Ligand oder ein chemischer Botenstoff wie ein Neurotransmitter an einen Rezeptor auf dem Kanal bindet. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle werden geöffnet oder geschlossen, wenn sich die elektrische Potentialdifferenz – oder Spannung – um den Kanal herum ändert. Diese Art kommt am häufigsten in Nerven- und Muskelzellen vor. Second-Messenger-gesteuerte Ionenkanäle werden in ihrer Aktivität von einer Gruppe von Proteinen, den sogenannten G-Proteinen, moduliert. Mechanosensitive Kanäle werden durch äußere mechanische Reize wie Berührungen und Veränderungen des osmotischen Drucks stimuliert.
Ionenkanäle können nicht nur durch externe Modulatoren aktiviert werden, sondern können auch selektiv sein, welche Ionen den Kanal passieren. Form, Größe und Ladung eines Ions können beeinflussen, ob sich ein Kanal öffnet oder schließt und eine Bewegung durch die Zellmembran ermöglicht. Gängige Beispiele für ionenspezifische Kanäle umfassen Kaliumkanäle, Chloridkanäle, Natriumkanäle und Calciumkanäle.