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核膜包括以平行方式相互重叠的两层膜状构造，也就是内膜及外膜，两者之间的距离约10到50纳米（nm）。核膜将细胞核完全包覆，使内侧的遗传物质与外侧的细胞质分离。并阻挡大分子在核质与细胞质之间自由扩散。细胞核的外膜与另一种膜状构造粗糙内质网相连，两者皆缀有核糖体。内外膜之间的空间称为核膜间隙，这些空间与粗糙内质网中的内腔相连。

穿透核膜的核孔拥有类似于通道的功能，是由多种核称为核孔蛋白的蛋白质所组成。核孔的分子量约125百万Da，含有约50（酵母菌）到100（脊椎动物）个蛋白质。核孔的直径为100纳米，不过真正可让分子自由扩散的孔道只有宽9纳米，这是因为核孔中间存在一些调节系统。小型的水溶性分子可以直接通过，而大型分子如核酸与蛋白质则会受到阻碍，需要透过主动运输才能进入细胞核。典型的哺乳类细胞核膜上，拥有约3000到4000个核孔，这些核孔含有8个形状有如甜甜圈的环状对称构造，同时嵌于内外膜之中。伴随这些环状构造的核篮（nuclear basket），则向内延伸进入核质；另外还有一系列的丝状构造伸入细胞质中。这些构造的功能是用来与核运输蛋白结合。

许多蛋白质、核糖体次单元或RNA，可在一类称为核转运蛋白（karyopherin）的运输因子中介下通过核孔。其中可帮助分子进入核内的又称为内输蛋白（importin）；帮助分子离开细胞核的则称作外输蛋白。大多数核转运蛋白可直接与欲运送的分子作用，有些则需要转接蛋白协助。类固醇激素如皮质醇与醛固酮，以及其他作为细胞信号的脂溶性分子，可以从细胞膜扩散进入细胞质，并与将要进入细胞核内的核受体蛋白结合。这些受体与配体结合时具有转录因子的功用，若配体不存在，受体则有组织蛋白去乙酰酶的作用，可抑制基因表现。

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