細胞核
巨大分子の核への出入りは、核膜孔複合体によって緊密に制御されている。低分子は調節を受けずに核へ入ることができるが、RNAやタンパク質のような高分子は、核へ入るにはインポーチン、核から出るにはエクスポーチンと呼ばれるカリオフェリンとの相互作用を必要とする。細胞質から核へ移行するべき「積み荷」タンパク質には、核局在化シグナルと呼ばれる短いアミノ酸配列があり、そこへインポーチンが結合する。一方、核から細胞質へ輸送されるべきものには核外搬出シグナルがあり、エクスポーチンが結合する。インポーチンとエクスポーチンによる輸送は、GTPを加水分解してエネルギーを放出する酵素、GTPアーゼによって調節されている。核輸送における主要なGTPアーゼはRanであり、核に位置するか細胞質に位置するかに応じて、GTPかGDPのどちらかを結合する。インポーチンはRan-GTPによって積み荷を解離するが、エクスポーチンは積み荷と結合するためにRan-GTPを必要とする。
これによって、不適切な遺伝子発現が防がれている。例えば、ほとんどの炎症反応に関与するNF-κBによって制御される遺伝子の場合、シグナリング分子TNF-αによるシグナル伝達経路が開始され転写が誘導される。TNF-αが細胞膜の受容体に結合するとシグナリングタンパク質は膜へリクルートされ、最終的にNF-κBが活性化される。NF-κBの核局在化シグナルによって核膜孔を通って核へ輸送され、標的遺伝子の転写が促進される。
また、区画化によって、スプライシングされていないmRNAの翻訳が防がれている。真核生物のmRNAはイントロンを含んでおり、機能的なタンパク質への翻訳にはイントロンの除去が必要である。スプライシングは、リボソームがmRNAにアクセスする前に核内で行われる。核がなければ、リボソームは転写されたばかりの (プロセシングされていない) mRNAを翻訳してしまい、欠陥があるか機能しないタンパク質が合成されてしまうと考えられる。
細胞分裂時には、核内のDNAは凝縮し、染色体と呼ばれる棒状の構造をとり、細胞分裂後の2つの細胞に分かれて移動する。このとき、核の表面は二重の核膜で包まれる。その後、それぞれの細胞では、再び核が形成され、染色体が消失、DNAが核内に広がる。
核内には、糸状に連なったDNA分子が結合蛋白質と複合体を構成しながら散らばっており、クロマチン(chromatin)あるいは染色質と呼ばれる。染色質の名前は、ヘマトキシリン染色などの染色を施した細胞を光学顕微鏡で観察すると、核内が濃く染色されることに由来する。クロマチンは大きく2種類に分けられる。
ユークロマチン(euchromatin)、あるいは真正染色質 - RNA転写活性が高く、DNAがよく広がり、多種の蛋白質と共存する部位
ヘテロクロマチン(heterochromatin)、あるいは異質染色質 - 遺伝子発現が不活性化され、DNAと結合蛋白質の複合体は凝集されたままの状態になっている部位
核マトリックス (核ラミナもこれに含まれる) は核内部のネットワーク構造で、細胞を支える細胞骨格のように、核構造の機械的支持を行っている。
巨大な分子は核膜を透過できないので、核膜を越える輸送の調節には核膜孔が必要とされる。孔は二重膜を貫通しており、膜輸送体による能動輸送を必要とする巨大分子が通過するためのチャネルとなっている一方、低分子やイオンは自由に移動する。タンパク質やRNAなどの巨大分子の孔を通っての移動は、遺伝子発現と染色体の維持の両方のプロセスに必要とされる。核の内部には膜結合性の小区画は存在しないが、その内容物が一様であるわけではなく、特定のタンパク質、RNA分子、染色体の特定の部分から構成される、多数の核内構造体が存在する。最もよく知られているのは核小体で、主にリボソームの組み立てに関与している。リボソームは核小体で合成された後、細胞質へ輸送されてmRNAの翻訳を行う。
Perichromatin fibril (クロマチン周囲の線維状の構造物) は、電子顕微鏡下でのみ観察可能である。転写が活発なクロマチンに隣接して位置し、pre-mRNAのプロセシングが活発に行われている場所であるという仮説が立てられている。