Il nucleo è separato dal citoplasma tramite 2 strati di membrana unitaria perforati da una moltitudine di pori attraverso i quali possono passare una serie di molecole solubili. La struttura di questi pori è complessa e media un trasporto molecolare abbastanza selettivo.
Nei pori nucleari risiede uno tra i più grossi complessi molecolari conosciuti. Il complesso del poro nucleare (NPC) ha un diametro di circa 200nm, un peso molecolare di 125KDa ed è formato da una trentina di proteine. Ha una simmetria ottagonale, nel lato interno possiede otto prolungamenti uniti tra loro all'estremità distale dall'anello terminale a formare una struttura chiamata basket nucleare. Il complesso del poro nucleare è fissato alla membrana tramite due anelli, uno nucleare e uno citoplasmatico, da quest'ultimo partono 8 filamenti che sporgono nel citoplasma. Infine, al centro del poro c'è un tappo proteico responsabile della selettività che lascia uno spazio di circa 9nm.
Lo spazio che lascia il poro è sufficientemente ampio da consentire il passaggio di una vasta gamma di molecole, ma difficilmente permette transito di proteine foldate, queste devono prima essere srotolate.
Il cargo che deve attraversare il poro necessita dell'intervento di altre proteine: le importine e le esportine. Per l'esportazione occorre che la proteina abbia una sequenza specifica detta NES (segnale di esportazione nucleare) che viene riconosciuta dall'esportina. Dopo il legame tra proteina ed esportina si unisce anche una GTPasi chiamata Ran, per formare il complesso necessario per l'esportazione.
Il meccanismo di importazione è leggermente più complicato rispetto a quello di esportazione. Anche le proteine che devono essere importate possiedono una sequenza di riconoscimento, che in questo caso si chiama NLS (sequenza di localizzazione nucleare), data da una serie di lisine. A questa sequenza si legano un'importina-α ed un'importina-β che permettono l'importazione nel nucleo.
L'importina-β ha una struttura caratteristica, data da una serie di α-eliche disposte a zig-zag come una sorta di fisarmonica, che conferiscono una notevole flessibilità alla molecola.
Un punto cruciale nel meccanismo di trasporto nucleare è dato dal fatto che nel citoplasma Ran viene mantenuto allo stato che lega il GDP, mentre nel nucleoplasma viene mantenuto legato al GTP. Nel citoplasma una molecola denominata Ran GAP ha il compito di favorire l'idrolisi del GTP di Ran appena questo esce dal nucleo complessato alla proteina, per contro, nel nucleo, legato alla cromatina c'è un secondo regolatore, chiamato RCC1, che ricarica Ran con il GTP.
Quando Ran-GTP esce dal nucleo con la proteina da esportare e idrolizza il GTP perde l'affinità per l'esportina e si stacca dal complesso. Allo stato di Ran-GDP libero può tranquillamente ritornare nel nucleo attraverso il poro. Dall'altro lato, quando una proteina viene importata, nel nucleo Ran-GTP si lega all'importina-β causando il disassemblaggio del complesso, a questo punto l'impotina-α e il complesso Ran-GTP/importina-β possono fuoriuscire liberamente dal nucleo attraverso il poro. Una volta nel citoplasma, Ran-GTP idrolizza il GDP e perdendo affinitą per l'importina si stacca da essa e nuovamente potrà tornare al nucleo.