在漫長的進化過程中生物的 DNA經歷了各種各樣的變化。包括基因突變、基因重組、染色體易位等。
堿基置換突變常導致蛋白質中一個氨基酸的改變。例如正常血紅蛋白第 6位的谷氨酸改變為纈氨酸便成為鐮形細胞貧血癥的血紅蛋白 HbS，為賴氨酸替代則成為HbC，前者的堿基是從GAA（谷氨酸）→GUA（纈氨酸），后者是 GAA（谷氨酸）→AAA（纈氨酸）。已經發現的由α鏈上單個氨基酸的改變而造成的異常血紅蛋白不下40種，由β鏈上單個氨基酸改變而造成的異常血紅蛋白在80種以上。
DNA 分子的重復也是蛋白質分子發生改變的重要原因。例如血紅蛋白中的 α、β、γ、δ 4種多肽鏈相互關系便是如此（圖3）。
易位是又一種導致蛋白質分子中氨基酸順序改變的原因。例如有一種稱為Lepore的貧血癥，患者的一個血紅蛋白鏈的氨基端相同于δ鏈的氨基端，它的羧基端相同于β鏈的羧基端。
缺失在蛋白質分子進化中經常發生。例如血紅蛋白第22位殘基根據不同類型多肽鏈的前后順序對應比較，可以肯定人和馬的α鏈的差別由一個缺失造成。
還有一種情況是鏈的延伸，例如血紅蛋白HbCS是一種具有正常 α鏈的變種，它從正常 α鏈羧基端的精氨酸上又延伸出31個附加的氨基酸殘基，成為具有172個氨基酸的肽鏈，附加的氨基酸序列與 α鏈的其他部分或其他的血紅蛋白鏈毫無關系。
遺傳密碼的進化 現有的生物的核基因密碼都是相同的（見遺傳密碼），說明遺傳密碼體系在生物進化過程中早已固定。
1979年在三個實驗室中分別發現遺傳密碼的統一性原則不適用于線粒體基因。例如人和酵母菌的線粒體中的UGA并不是終止密碼子而是色氨酸密碼子，AUA在人的線粒體中不是異亮氨酸而是甲硫氨酸密碼子。這些事實說明在生物進化過程中遺傳密碼確實發生過變化。
哺乳動物的線粒體DNA的全部順序已經分析清楚，這里面可以找到有23個編碼轉運核糖核酸（tRNA）的順序。酵母菌的線粒體 DNA用順序分析和分子雜交方法也得到和哺乳動物線粒體大約相同數目的tRNA順序。染色體基因所編碼的tRNA至少有50種。線粒體中的tRNA種類少于染色體基因所編碼的tRNA種類。這一事實說明線粒體的密碼體系是比較原始的狀態。