細胞内膜系
しかし、一部のタンパク質は常に内腔に留まり、それらは小胞体タンパク質 (ER resident protein) として知られる。これらの特別なタンパク質は、特定のアミノ酸配列で構成される小胞体保留シグナル (ER retention signal) によって小胞体に保持される。小胞体タンパク質の重要な例はBiPとして知られるシャペロンタンパク質で、不適切な組み立てや加工を受けたタンパク質を特定し、それらが最終目的地へ送られるのを防いでいる。
小胞体は翻訳と共役したタンパク質の選別に関与している。小胞体シグナル配列を含むポリペプチドはシグナル認識粒子 (signal recognition particle、SRP) によって認識され、タンパク質の合成が停止される。SRPはポリペプチドを小胞体膜へ輸送し、ポリペプチドは膜孔内へ放出されて翻訳が再開される。
小胞体には滑面小胞体 (smooth ER) と粗面小胞体 (rough ER) という2つの領域が存在する。これらは構造と機能は異なるが、連結されている。粗面小胞体の細胞質側の表面はリボソームで覆われており、電子顕微鏡で観察すると細胞質側表面に凹凸があるように見えるため、その名が付けられた。これに対して、滑面小胞体の細胞質側表面にはリボソームが存在せず、滑らかな見た目をしている。
リソソームは、細胞内消化に用いられる、加水分解酵素を含む細胞小器官である。リソソームの主要な機能は、細胞内に取り込まれた分子を加工することと、細胞の老化部分をリサイクルすることである。リソソーム内の酵素は酸性加水分解酵素であり、その至適pHは一般的な細胞の細胞質のpHである中性付近ではなく、加水分解反応を効率良く触媒するためには酸性環境を必要とする。リソソーム内部のpHは5.0に保たれており、最適な環境が提供されている。仮にリソソームが破裂したとしても、細胞質のpHは中性であるため、放出された酵素は高い活性を持たないため、無秩序に細胞質を構成する物質が加水分解されるようなことは起こりにくい。ただ、それでも多数のリソソームからの酵素の漏出があれば、細胞は自己消化によって破壊され得る。
リソソームは食作用と呼ばれる細胞内消化過程に関与する。リソソームは液胞と融合し、酵素を液胞内へ放出する。酵素によって分解されて生じた、糖やアミノ酸、他の単量体は、細胞質へ拡散し細胞の栄養素となる。また、リソソームは加水分解酵素を利用して、老化した細胞小器官を分解することで、分解産物を細胞小器官の材料などとしてリサイクルする。この過程はオートファジーと呼ばれる。リソソームは他の細胞小器官を飲み込み、その酵素を使って取り込んだ物質の分解を行う。リソソームの最後の機能は、細胞自体を分解する自己分解 (autolysis) である。
細胞内膜系は、より正確には、細胞内膜系は単一の機能上・発生上の構成単位を形成し、直接連結されているか小胞輸送によって物質交換を行う膜一式として定義される。
真核生物では、細胞内膜系の細胞小器官には核膜、小胞体、ゴルジ装置、リソソーム、小胞、エンドソーム、そして細胞膜が含まれる。重要なことに、葉緑体やミトコンドリアの膜は細胞内膜系に含まれないものの、細胞内膜系はミトコンドリアの膜から進化したものである可能性があるとされている。
核膜は、核の内容物を取り囲むんでおり、一見、外膜と内膜の2枚の脂質二重層でできているようにも見えるものの、外膜と内膜は連続した脂質二重層で、さらに、小胞体とも連続している。小胞体は合成と輸送のための細胞小器官で、細胞質において分枝している。ゴルジ装置は、ゴルジ体とも呼ばれ、他の構成要素への輸送や細胞からの分泌のために分子が梱包される細胞小器官で、一連の複数の区画から構成される。液胞は細胞の形状と構造の維持、不要物の貯蔵を担い、植物細胞と動物細胞の双方に存在するが、植物細胞の物の方がかなり大きい。