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探索代谢演化规律是理解代谢复杂性的一条重要途径。由于线粒体载体家族(mitochondrial carrier family，MCF)直接影响代谢活动，那么就有可能通过分析MCF功能演化来间接地认识代谢复杂化的分子机制。研究MCF的功能演化并不意味着必须首先获得所有线粒体载体(mitochondrial carriers，MCs)的具体结构。根据MCF公认的保守性二维结构特征，本研究将其作为一个整体，划分出跨膜区域和非跨膜区域，分析这些区域的序列变化进而得出相应的结构变化特征，从而推出由此所引发的功能演化规律。 研究数据提示了MCF的底物运输类型在多细胞动物演化过程中保持稳定，而MCF所运输的底物尺寸在演化过程中却持续变小。进一步的研究显示作为MCF结构保守区域的跨膜域，其特定的螺旋与螺旋界面区域的疏水性氨基酸的比例在多细胞动物演化过程中显著上升。氨基酸空间定位分析和包装值的计算都表明上升的疏水性氨基酸的数目能够导致更加紧密的跨膜结构，与上述的脊椎动物MCs所运输底物的尺寸持续减小相吻合。结合本研究的另一发现，即脊椎动物演化过程中MCF的载体数目显著上升，可以推断出由于特定螺旋与螺旋界面区域脂肪族氨基酸的上升所导致的更加“紧密”的结构能够提高MCF的底物选择性，显示多细胞动物MCF的演化轨迹。 底物选择性的加强一方面意味着一种分子适应;另一方面也必然会突出地表现在最小尺寸底物H+的运输上。于是，深入研究H+底物运输机制成为探寻代谢复杂性分子演化规律的重要内容。 从细胞质到线粒体基质运输H+是线粒体质子渗漏的典型特征。尽管有报道表明位于线粒体内膜的MCF可能运输H+，然而由于实验对象是MCF所有成员而不是单个或者特定载体，难以证明MCs介导的质子转运。真核生物MCs标志序列Px(D/E)xx(K/R)xR的C端方向第10位预测的功能位点谷氨酰胺(Q10)能够充当质子缓冲来运输H+，提示阻止基质H+返流是H+通道运输的必要条件。多细胞动物偶数跨膜螺旋第8位上升的精氨酸(R8)可能引发更多H+通过通道传递。它们的返流将被MCs标志序列的C端方向第12位上升的氨酰胺(Q12)所参与的加强正电势表面屏障所阻止。Q12与真核生物演化所具有的良好正相关(R=0.977，P＜0.001)体现了对多细胞动物演化下增强的H+运输的适应。对增强的H+运输进行模拟实验，结果表明更多的H+对具有低比例Q12的真菌产生致死效应。结合MCs负责运输H+的共同序列特征，这在一定程度上证明了MCs运输H+的机制。综上，本研究提出“改善型质子缓冲模型”用以描述MCs介导的质子转运，进而提出多细胞动物演化过程中Q12和R8上升的比例暗示了线粒体质子渗漏的演化机制。 基于演化、结构和生化证据，本研究不仅发现了MCF演化轨迹，而且在一定程度上揭示了质子渗漏的演化机制，并为探索代谢复杂性的内在分子机制提供了新启示。