W komórkach eukariotycznych istnieją trzy rodzaje struktur cytoszkieletowych – mikrofilamenty, włókna pośrednie i mikrotubule. Mikrotubule o średnicy około 25 nm są najgrubszymi z tych włókien. Mikrotubule pełnią różnorodne funkcje, które obejmują strukturę i wsparcie komórki, transport organelli, ruchliwość (ruch) komórek oraz separację chromosomów podczas podziału komórki.

Mikrotubule to puste rurki, których ścianki składają się z białek kanaliny kulistej. Każda cząsteczka tubuliny jest heterodimerem, składającym się z podjednostki α-tubuliny i podjednostki β-tubuliny. Dimery są ułożone w liniowych rzędach zwanych protofilamentami. Mikrotubula zwykle składa się z 13 protofilamentów, ułożonych obok siebie, owiniętych wokół pustego rdzenia.

Ze względu na ten układ mikrotubule są polarne, co oznacza, że mają różne końce. Koniec dodatni ma odsłoniętą tubulinę β, a koniec ujemny ma odsłoniętą tubulinę α. Mikrotubule mogą szybko się składać – rosnąć w dół poprzez polimeryzację cząsteczek tubuliny – i rozkładać się. Oba końce zachowują się pod tym względem inaczej. Koniec dodatni to zazwyczaj szybko rosnący koniec lub koniec, na którym dodaje się tubulinę, a koniec ujemny to wolno rosnący koniec lub koniec, na którym tubulina dysocjuje – w zależności od sytuacji.

Ten proces dynamicznej niestabilności, w którym mikrotubule szybko rosną i kurczą się, jest ważny dla takich funkcji, jak przebudowa cytoszkieletu podczas podziału komórki i rozszerzanie aksonów z rosnących neuronów.

Mikrotubule mogą być również stabilne, często poprzez wiązanie się z białkami związanymi z mikrotubulami, które pomagają komórce zachować swój kształt. Inne białka, zwane białkami motorycznymi, mogą wchodzić w interakcje z mikrotubulami, aby transportować organelle w określonym kierunku. Na przykład wiele neuroprzekaźników jest pakowanych w pęcherzyki w ciele komórkowym neuronu, a następnie jest transportowanych w dół aksonu wzdłuż “toru” mikrotubul, dostarczając pęcherzyki tam, gdzie są potrzebne. Wreszcie, mikrotubule mogą również wystawać na zewnątrz komórki – tworząc nitkowate wici i rzęski, które poruszają się, aby popychać komórki (takie jak plemniki) lub przemieszczać płyn po ich powierzchni, na przykład w płucach.