大多数内质网膜被核糖体覆盖（如图5a所示），因此被称为粗面内质网，而其余的内质网膜上缺乏核糖体，因此被称为光面内质网。核糖体的作用是利用氨基酸制造蛋白质，即将氨基酸结合在一起，形成肽、多肽以及完整的蛋白质。一系列RNA分子参与了蛋白质的合成过程。首先，组成特定蛋白质代码的核苷酸碱基序列从模板DNA中被成功复制下来，这一过程被称为转录（transcription），发生在细胞核内。转录会促使一种新的分子——信使RNA（messenger RNA， mRNA）产生。随后，mRNA从细胞核被运输至细胞质中，并在此过程中完成修饰（称为剪接）。在细胞质中，mRNA与核糖体结合，此时氨基酸将被一种称为转运RNA的小RNA带至核糖体中，以mRNA为模板，将氨基酸连成蛋白质，这一过程被称为翻译。在内质网上合成的蛋白质将进入内质网膜间隙（内腔）中（如图5b所示）进行折叠，形成最终的构型，并随之被传递至高尔基体等其他部位（如图5d所示）。高尔基体是由扁平的膜泡堆叠而成的膜结构，其中新合成的蛋白质被装入囊泡中并运输至细胞的不同部位，在这一过程中可能会进行糖基化修饰。新合成的蛋白质会经过严格的质量控制，如发现任何缺陷，这些蛋白将被泛素分子标记，以便迅速降解。蛋白质的错误折叠将引发非常严重的后果，甚至将导致囊性纤维化与糖尿病等疾病的发生。随着年龄的增长，蛋白质的质量控制机制可能会出现效率降低的情况，这将导致阿尔茨海默病和其他与年龄相关的神经退行性疾病的发生。

新的蛋白质一旦被合成与折叠后需要到达细胞内的最终目的地，与其他数十亿个蛋白质分子一起不断经历合成与降解过程。一些蛋白质可能需要穿过一到两个生物膜屏障才能到达它们发挥功能的部位。1971年，纽约洛克菲勒研究所的根特·布洛贝尔（Günter Blobel）与大卫·萨巴蒂尼（David Sabatini）提出了一个“信号假说”，即蛋白质被分配了一个行李标签或邮政编码，以确保它们最终到达正确的目的地。标记的形式为短序列氨基酸，被称为拓扑学信号，它们可以附着在受体蛋白上，从而帮助蛋白通过生物膜屏障到达正确的目的地。1999年，布洛贝尔因此获得了诺贝尔奖。这项工作解释了几种疾病背后的分子机制，如囊性纤维化与原发性高草酸尿（一种导致早期肾结石的疾病）。这两种疾病的分子机制均涉及相关蛋白未能到达其正确的位置。之后，布洛贝尔捐出了100万美元的奖金，将其用于故乡的战后重建工作。