Mikrotubuli, Polymere von Tubulinproteinen (Tubuline), die in vivo möglicherweise immer mit anderen Proteinen, den mikrotubulusassoziierten Proteinen (engl. microtubule associated proteins, MAPs), assoziiert sind, und zwar funktionsabhängig mit unterschiedlichen MAPs. Die M. sind als Teil des Cytoskeletts die strukturellen Hauptbestandteile der mitotischen und meiotischen Spindelfasern, der Cilien und Flagellen. In Axonen und Dendriten dienen sie als Kabel, an dem entlang Organellen mit Hilfe von Kinesin und dem retrograden Translokator bewegt werden [R.D. Vale et al. Cell43 (1986) 632-632].

M. können aus gereinigtem Tubulin in vitro polymerisiert werden, zerfallen aber beim Abkühlen des Reaktionsgemischs wieder in die Monomere. In der Gegenwart von MAPs läuft die Polymerisation bei einer niederigeren Tubulinkonzentration ab und die erhaltenen M. sind stabiler.

Man kann bei M. ein plus-Ende und ein minus-Ende unterscheiden. Nahe dem plus-Ende des M. bildet sich ein Bereich von GTP-Tubulin-Dimeren, während etwas weiter zurück die E-Bindungsstelle der Dimeren (Tubulin) GDP enthält. Die Dimere, die vom minus-Ende freigesetzt werden, haben ein GTP und ein GDP gebunden. Es ist wahrscheinlich, dass die GTP-Hydrolyse das Polymer stabilisiert.

Die Anlagerungsschritte der Mikrotubuli können wie folgt zusammengefasst werden: 1) Heterodimere assoziieren "α-Tubulinende an β-Tubulinende" und bilden kurze Protofilamente; 2) die Protofilamente sind instabil und assoziieren sich Seite an Seite leicht vertikal zueinander versetzt mit benachbarten Heterodimeren, so dass eine gekrümmte Fläche entsteht; 3) typischerweise bildet die gekrümmte Fläche eine leere Röhre von 24nm Durchmesser, wenn 13 Protofilamente vorhanden sind, in der horizontal benachbarte Heterodimere eine Reihe bilden, die – aufgrund der oben genannten leichten Verschiebung – spiralförmig verläuft; 4) Verlängerung der Röhre durch Addition weiterer Heterodimere an jedem Ende.

Im Gleichgewicht ist die Geschwindigkeit der Addition von Untereinheiten am einen Ende des Mikrotubulus gleich der Geschwindigkeit der Abspaltung am anderen Ende. Dieser Prozess wird als "Tretmühle" bezeichnet, da ein gegebenes Tubulindimer langsam vom plus- zum minus-Ende des M. wandert. In vielen Zellen werden die M. durch Verankerung, vermutlich des minus-Endes, an mikrotubulusorganisierende Zentren (engl. microtubule organizing centers, MTOC) stabilisiert. Dies trifft für die neuronalen Axone, polaren und mitotischen M. zu. Dagegen scheinen die kinetochoren M. über ihre plus-Enden mit dem Kinetochor verbunden zu sein.

Die Antikrebswirkstoffe Colchicin, Vincristin und Vinblastin (Vinca-Alkaloide) sowie Taxol binden an Tubulin und wirken sich nachteilig auf die Eigenschaften der M. aus. Als eine Folge davon wird die Mitose unterbrochen, weil die Kernspindel zum größten Teil aus M. zusammengesetzt ist.