Mikrotubuli sind hohle zylindrische Filamente mit einem Durchmesser von etwa 25 nm und einer Länge, die von 200 nm bis 25 μm variiert. GTP-gebundene Tubulin-Untereinheiten bilden αβ-Heterodimere für den Aufbau von Mikrotubuli. Diese Kernbausteine interagieren in Längsrichtung und polymerisieren zu Protofilamenten. Die Protofilamente interagieren dann durch laterale Bindungskräfte miteinander und bilden stabile zylindrische Mikrotubuli. Diese zylindrischen Filamente sind dynamisch, da sie wiederholt auf- und abgebaut werden. Diese charakteristische dynamische Instabilität ist sowohl in vivo als auch in vitro zu finden.

Dynamische Instabilität

Einzelne Mikrotubuli können sich zu einem bestimmten Zeitpunkt an den gegenüberliegenden Enden gleichzeitig verlängern und schrumpfen. Ob ein Mikrotubuli wächst oder schrumpft, wird durch seine Katastrophen- und Rettungsraten bestimmt. Eine Katastrophe liegt vor, wenn sich ein wachsender Mikrotubuli schnell zu verkürzen beginnt. Rettung ist die Verschiebung eines schrumpfenden Mikrotubuli, um sich schnell zu verlängern. Die Geschwindigkeit der β-Tubulin-gebundenen GTP-Hydrolyse ist ein primärer Faktor, der die dynamische Instabilität bestimmt.

In der Zelle sind sowohl freie Tubulin-Untereinheiten als auch deren αβ-heterodimere Formen im zytoplasmatischen Pool vorhanden. Die Polymerisation von Tubulin-Untereinheiten beginnt, wenn GTP-gebundene αβ-heterodimere Untereinheiten über einer Schwellenwertkonzentration liegen, die als kritische Konzentration für die Mikrotubuli-Polymerisation bezeichnet wird. β-Tubulin gibt es in zwei Formen. Die GTP-gebundene β-Tubulin- oder T-Form ist für die Dehnung und stabile lineare Struktur von Mikrotubuli verantwortlich. Im Gegensatz dazu begünstigt die GDP-gebundene β-Tubulin- oder D-Form den Abbau von Mikrotubuli. Die GTP-gebundenen β-Tubuline am wachsenden Ende wirken als Kappe, verhindern die Krümmung des Protofilaments und fördern die Dehnung. Bei der Hydrolyse von GTP wird die Konformation von β-Tubulin leicht verändert, was zu einer Krümmung des Protofilaments führt. Diese Krümmung erleichtert die Bindung von destabilisierenden Proteinen wie Stathmin und Kinesin-13, um die αβ-Tubulin-Heterodimere zu entfernen.

Faktoren, die die Instabilität regulieren

Mikrotubuli-assoziierte Proteine oder MAPs sind kritische Regulatoren der dynamischen Instabilität von Mikrotubuli. MAPs werden aufgrund ihrer Funktion in der Mikrotubuli-Dynamik grob als Stabilisatoren und Destabilisatoren klassifiziert. Die Stabilisator-MAPs binden an die Mikrotubuli, um das Katastrophenereignis zu reduzieren und die Dehnung zu fördern. Auf der anderen Seite binden sich die Destabilisatoren, um die Katastrophe zu fördern. Stabilisator-MAPs sind während der Interphase und in axonalen und dendritischen Mikrotubuli von Neuronen dominant und fördern stabile Anordnungen. Während der Mitose sind destabilisierende MAPs häufiger. Diese MAPs sind für die Chromosomensegregation und den Abbau des Zytoskelettnetzes für die Zellteilung verantwortlich.