Οι δίαυλοι ιόντων βρίσκονται μέσα στις κυτταρικές μεμβράνες όλων των βιολογικών κυττάρων. Τα κανάλια σχηματίζονται από πρωτεΐνες που δημιουργούν πόρους στην πλασματική μεμβράνη. Οι πόροι επιτρέπουν στα ιόντα που δεν μπορούν να περάσουν απευθείας από την κυτταρική μεμβράνη να ταξιδέψουν μέσα και έξω από τα κύτταρα. Τα περισσότερα κανάλια αποτελούνται από περισσότερες από μία πρωτεΐνες και είναι στην πραγματικότητα σύμπλοκα πρωτεϊνών που βρίσκονται μέσα στη μεμβράνη.
Ένας τύπος ατόμου, τα ιόντα διαφοροποιούνται έχοντας άνισο αριθμό ηλεκτρονίων και πρωτονίων. Το ιόν έχει είτε αρνητικό είτε θετικό φορτίο ανάλογα με το αν υπάρχουν περισσότερα ηλεκτρόνια ή πρωτόνια, αντίστοιχα. Η διπλοστοιβάδα φωσφολιπιδίου που συνθέτει μια κυτταρική μεμβράνη έχει το δικό της φορτίο και στην πραγματικότητα λειτουργεί ως φράγμα στα ιόντα που διέρχονται ελεύθερα από αυτήν. Αυτός είναι ο λόγος που τα κανάλια ιόντων είναι απαραίτητα μέσα στις κυτταρικές μεμβράνες.
Τα κανάλια ιόντων λειτουργούν ως ηλεκτρικοί μονωτές και παρέχουν ένα μονοπάτι για τα ιόντα να περάσουν είτε μέσα είτε έξω από ένα κύτταρο. Κάθε κανάλι ιόντων δρα ως καταλύτης στη διαδικασία που μετακινεί το ιόν από τη μια πλευρά της κυτταρικής μεμβράνης στην άλλη. Το κανάλι μπορεί να είναι είτε ανοιχτό είτε κλειστό, με τη μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων να συμβαίνει όταν ένα ιόν δεσμεύεται στη σωστή θέση στο κανάλι ιόντων.
Η αλλαγή μεταξύ ανοικτής και κλειστής κατάστασης ενός διαύλου ιόντων αναφέρεται ως πύλη. Εξωτερικοί παράγοντες παίζουν ρόλο στο αν η πύλη είναι ανοιχτή ή κλειστή. Υπάρχουν διαφορετικές ομάδες καναλιών ιόντων και μπορούν να ομαδοποιηθούν ανάλογα με τους φυσικούς και χημικούς εξωτερικούς παράγοντες που παίζουν ρόλο στο άνοιγμα και το κλείσιμο της πύλης.
Μερικοί δίαυλοι ιόντων είναι «περιφραγμένοι με συνδέτη» και ανοίγουν και κλείνουν όταν ένας συνδέτης, ή ένας χημικός αγγελιοφόρος, όπως ένας νευροδιαβιβαστής, δεσμεύεται σε έναν υποδοχέα στο κανάλι. Τα κανάλια ιόντων με πύλη τάσης ανοίγουν ή κλείνουν όταν υπάρχουν αλλαγές στη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού — ή στην τάση — που περιβάλλει το κανάλι. Αυτό το είδος βρίσκεται πιο συχνά σε νευρικά και μυϊκά κύτταρα. Τα κανάλια ιόντων με πύλη δεύτερου αγγελιοφόρου ρυθμίζονται από μια ομάδα πρωτεϊνών που ονομάζονται G-πρωτεΐνες. Τα μηχανοευαίσθητα κανάλια διεγείρονται από εξωτερικά μηχανικά ερεθίσματα, όπως το άγγιγμα και οι αλλαγές στην οσμωτική πίεση.
Εκτός από το να ενεργοποιούνται από εξωτερικούς διαμορφωτές, τα κανάλια ιόντων μπορούν επίσης να είναι επιλεκτικά ως προς το ποια ιόντα διέρχονται από το κανάλι. Το σχήμα, το μέγεθος και το φορτίο ενός ιόντος μπορεί να επηρεάσει αν ένα κανάλι θα ανοίξει ή θα κλείσει και θα επιτρέψει την κίνηση κατά μήκος της κυτταρικής μεμβράνης. Συνήθη παραδείγματα διαύλων ειδικών ιόντων περιλαμβάνουν κανάλια καλίου, κανάλια χλωρίου, κανάλια νατρίου και κανάλια ασβεστίου.