Le système endomembranaire est organisé en plusieurs structures interconnectées qui réalisent des fonctions distinctes mais intégrées. Le réticulum endoplasmique, qui est le premier composant, est connecté à l'enveloppe nucléaire et occupe une grande partie du cytoplasme. Il est directement impliqué dans la synthèse des protéines et des lipides. Le RE rugueux est parsemé de ribosomes qui lui permettent de synthétiser des protéines qui vont être insérées dans sa membrane ou exportées hors de la cellule. En revanche, le RE lisse est plus impliqué dans la synthèse des lipides, le stockage du calcium, et la détoxification des médicaments et des poisons. Les protéines et lipides synthétisés au niveau du RE sont transportés par des vésicules vers l'appareil de Golgi.

L'appareil de Golgi joue un rôle central dans le traitement et la répartition des protéines et des lipides. Structuré en citernes empilées, il agit comme un centre de tri pour les produits en provenance du réticulum endoplasmique. Les protéines quittant le RE sont importées dans le Golgi, où elles subissent diverses modifications, comme la glycosylation. En fonction de leur destination finale, les protéines sont ensuite emballées dans des vésicules. Certaines de ces vésicules fusionnent avec la membrane plasmique pour libérer leur contenu à l'extérieur de la cellule par exocytose, tandis que d'autres se rendent vers des lysosomes pour participer à la digestion intracellulaire.

Le transfert de matériaux entre les différents composants du système endomembranaire est hautement coordonné par des vésicules. Ces petites structures membraneuses bourgeonnent d'un compartiment pour se fusionner avec un autre, livrant ainsi leur contenu de manière ciblée. Les protéines membranaires et solubles à transporter sont souvent munies de signaux spécifiques qui stimulent leur inclusion dans les vésicules. Les endosomes jouent un rôle critique en tant que stations de tri où les protéines membranaires peuvent être recyclées ou dirigées vers des lysosomes pour leur dégradation. Ce flux constant de vésicules assure le maintien de la composition dynamique des membranes cellulaires et la distribution efficace des lipides et protéines.

Les lysosomes sont essentiels au métabolisme cellulaire et à l'entretien de la cellule. Ils contiennent de nombreuses enzymes hydrolytiques qui décomposent les macromolécules en éléments utilisables par la cellule. Ce processus est clé pour le renouvellement des composants cellulaires et la gestion des déchets. Les lysosomes interviennent également dans l'apoptose (mort cellulaire programmée) et peuvent aider à la défense contre les pathogènes en digérant les particules étrangères. Cette capacité à décomposer efficacement matériaux internes et externes confère aux lysosomes un rôle indispensable dans le maintien de l'homéostasie cellulaire.