I microtubuli sono filamenti cilindrici cavi aventi un diametro di circa 25 nm e una lunghezza che varia da 200 nm a 25 μm. Le subunità di tubulina legate al GTP formano αβ-eterodimeri per l'assemblaggio dei microtubuli. Questi elementi costitutivi del nucleo interagiscono longitudinalmente, polimerizzandosi in protofilamenti. I protofilamenti interagiscono quindi tra loro attraverso forze di legame laterali per formare microtubuli cilindrici stabili. Questi filamenti cilindrici sono dinamici in quanto subiscono ripetuti montaggi e smontaggi. Questa caratteristica instabilità dinamica può essere riscontrata sia in vivo che in vitro.

Instabilità dinamica

I singoli microtubuli possono allungarsi e restringersi contemporaneamente alle estremità opposte in un dato momento. La crescita o il restringimento di un microtubulo è determinata dai suoi tassi di catastrofe e di salvataggio. La catastrofe si verifica quando un microtubulo in crescita inizia ad accorciarsi rapidamente. Il salvataggio è lo spostamento di un microtubulo che si restringe per allungarsi rapidamente. La velocità di idrolisi del GTP legato alla β-tubulina è un fattore primario che determina l'instabilità dinamica.

Nella cellula, nel pool citoplasmatico sono presenti sia le subunità libere della tubulina che le loro forme αβ-eterodimeriche. La polimerizzazione delle subunità della tubulina inizia quando le subunità αβ-eterodimeriche legate al GTP sono al di sopra di una concentrazione soglia, indicata come concentrazione critica per la polimerizzazione dei microtubuli. β-tubulina esiste in due forme. La tubulina β legata al GTP o forma T è responsabile dell'allungamento e della struttura lineare stabile dei microtubuli. Al contrario, la β-tubulina legata al GDP o forma D favorisce il disassemblaggio dei microtubuli. Le tubuline β legate al GTP all'estremità in crescita agiscono come un cappuccio, prevenendo la curvatura del protofilamento e promuovendo l'allungamento. Dopo l'idrolisi del GTP, la conformazione della β-tubulina è leggermente alterata, con conseguente curvatura del protofilamento. Questa curvatura facilita il legame di proteine destabilizzanti come la stamina e la chinesina-13 per rimuovere gli eterodimeri αβ-tubulina.

Fattori che regolano l'instabilità

Le proteine associate ai microtubuli o MAP sono regolatori critici dell'instabilità dinamica dei microtubuli. Le MAP sono ampiamente classificate come stabilizzanti e destabilizzanti in base alla loro funzione nella dinamica dei microtubuli. Le MAP stabilizzatrici si legano con i microtubuli per ridurre l'evento catastrofale e promuovere l'allungamento. D'altra parte, i destabilizzatori si legano per promuovere la catastrofe. Le MAP stabilizzatrici sono dominanti durante l'interfase e nei microtubuli assonali e dendritici dei neuroni, promuovendo assemblaggi stabili. Durante la mitosi, le MAP destabilizzanti sono più comuni. Queste MAP sono responsabili della segregazione cromosomica e del disassemblaggio della rete citoscheletrica per la divisione cellulare.