離子通道是內在膜蛋白，形成離子選擇性的水相孔道，其開關受特定刺激調控。Hodgkin & Huxley（1952）的經典模型以數學方程式描述了 Na⁺ 和 K⁺ 電導的時間和電壓依賴性，奠定了離子通道生物物理學的基礎。後經 Neher & Sakmann（1976）發明的膜片鉗（patch clamp）技術實現單通道電流的記錄（獲 1991 年諾貝爾獎），以及 MacKinnon（2003 年諾貝爾獎）解出 K⁺ 通道的晶體結構，我們對離子通道的理解達到原子解析度。
結構與選擇性
KcsA K⁺ 通道的 X 射線晶體結構（Doyle et al., 1998）揭示了選擇性濾器的分子機制。四個亞基各貢獻一段保守序列 TVGYG，主鏈羰基氧原子排列形成四個連續的 K⁺ 結合位點，精確模擬 K⁺ 的水合殼（hydration shell），提供 ~2.8 Å 的配位距離。Na⁺（半徑 0.95 Å）雖小於 K⁺（1.33 Å），但其脫水能障較高且無法被濾器有效穩定，故被排斥。K⁺ 通道的選擇性比高達 10,000:1（K⁺:Na⁺）。
Nav 通道的結構（Payandeh et al., 2011；Shen et al., 2017 解出真核 Nav 結構）顯示其由單一 α 亞基形成偽四聚體（4 個同源重複域 DI-DIV），每個域含 6 個跨膜段（S1-S6）。S4 段為電壓感測器（voltage sensor），帶正電的精胺酸殘基每隔三個胺基酸出現一次，膜去極化時向胞外移動，驅動通道構象變化。快速去活化（fast inactivation）由 DIII-DIV 連接子上的 IFM 基序（isoleucine-phenylalanine-methionine）作為「球與鏈」（ball-and-chain）機制堵塞通道孔。
NMDA 受體的巧合偵測
NMDA 受體（NMDARs）是獨特的「巧合偵測器」（coincidence detector）。在靜止膜電位下，Mg²⁺ 堵塞通道孔；只有當突觸前釋放麩胺酸（結合配體位點）且突觸後充分去極化（排除 Mg²⁺ 阻斷）時通道才開啟。NMDAR 通透 Ca²⁺ 的特性使其成為 Hebbian 可塑性的分子實現：只有當突觸前和突觸後同時活化，Ca²⁺ 才能流入啟動 CaMKII 級聯，誘導 LTP（Malenka & Bear, 2004）。GluN2 亞基的組成決定通道動力學——GluN2A 通道去活化快（τ ~50 ms），GluN2B 慢（τ ~300 ms），兩者在發育過程中的表達比例轉變（2B → 2A switch）對應關鍵期可塑性的關閉。
通道病變（Channelopathies）
離子通道基因突變導致的疾病涵蓋多個器官系統。SCN1A（Nav1.1）功能喪失突變導致 Dravet 症候群——一種嚴重的嬰兒期癲癇，因 PV⁺ 抑制性中間神經元的 Nav1.1 喪失功能，使抑制迴路失衡（Yu et al., 2006）。KCNQ2/3 突變導致良性家族性新生兒癲癇，這些通道產生的 M-current 是控制神經元興奮性的關鍵制動器。心臟方面，SCN5A（Nav1.5）突變導致長 QT 症候群第三型和 Brugada 症候群；KCNQ1 突變導致長 QT 第一型。CFTR 氯離子通道突變導致囊性纖維化。
藥理學靶點
離子通道是藥物開發的重要靶點。局部麻醉劑（lidocaine）和抗癲癇藥物（carbamazepine、phenytoin）為 Nav 狀態依賴阻斷劑，優先結合去活化態（use-dependent block）。苯二氮平類（benzodiazepines）正向異構調節 GABA_A 受體，增加 Cl⁻ 通道開啟頻率。Memantine 是 NMDAR 的非競爭性拮抗劑，用於阿茲海默症治療。近年 cryo-EM 技術革命（Cheng, 2018）加速了通道結構解析，為基於結構的藥物設計（structure-based drug design）提供前所未有的機會。
TRP 通道家族
Transient receptor potential（TRP）通道家族是多模態感覺的分子基礎。TRPV1 被辣椒素（capsaicin）和高溫（> 43°C）活化（Caterina et al., 1997），Piezo1/2 是機械力感測通道（Coste et al., 2010）。David Julius 和 Ardem Patapoutian 因此獲 2021 年諾貝爾生理醫學獎。