Variazione tra specie in proteine omologhe

Se si assume, in base alle leggi dell'evoluzione, che le specie simili si siano evolute da un progenitore in comune, ne consegue che anche le loro proteine si devono essere evolute da un corrispondente progenitore proteico comune. Una proteina che si è ben adattata alla sua funzione, cioè che non necessita di alcun miglioramento fisiologico, continua egualmente ad evolversi. La natura casuale dei processi mutazionali potrebbe, nel tempo, modificare questa proteina in modo da alterarne significativamente la sua funzione, un processo chiamato spinta neutrale (le mutazioni deleterie sono rapidamente scartate dalla selezione naturale). Un confronto tra la struttura primaria di proteine omologhe (proteine con evoluzioni correlate) ci può dire quali residui della proteina sono essenziali per la sua funzione, quali lo sono meno e quali hanno funzioni molto limitate. Se, per esempio, scopriamo che una data catena laterale occupa sempre una certa posizione nella sequenza amminoacidica di una serie di proteine correlate, possiamo ragionevolmente concludere che le proprietà chimiche o strutturali di questo residuo chiamato invariante sono interessate a qualche funzione essenziale della proteina. Altre posizioni amminoacidiche possono, invece, avere necessità meno stringenti per una specifica catena laterale e può essere sufficiente la presenza di residui con caratteristiche simili; queste posizioni vengono dette sostituite conservativamente. In altre posizioni, invece, sono tollerati molti tipi diversi di amminoacidi; ciò indica che quelle regioni non sono direttamente interessate a specifiche funzioni della proteina. Queste posizioni vengono dette ipervariabili. Per accennare tutti questi aspetti, prendiamo in considerazione una proteina presente praticamente in tutti gli eucarioti, il citocromo c che fa parte della catena di trasporto degli elettroni e il suo ruolo è quello di trasferire gli elettroni tra un complesso enzimatico noto come citocromo c reduttasi ad un altro chiamato citocromo c ossidasi. Questa proteina è costituita da una singolare catena polipeptidica di 102 o 104 residui amminoacidici nei vertebrati.  Si pensa che la catena di trasporto degli elettroni sia comparsa circa 1,5-2 miliardi di anni fa in organismi che hanno sviluppato la capacità di respirare. Da quel tempo ad oggi, i componenti di questo sistema multienzimatico sono stati modificati molto poco, come dice il fatto che il citocromo c di qualsiasi specie eucariotica, ad esempio il piccione, può reagire in vitro con la citocromo ossidasi di qualsiasi altra specie, ad esempio il frumento. Alcuni scienziati allora hanno determinato la sequenza amminoacidica del citocromo c di 100 specie eucariotiche diverse con una complessità di organismo che andava da quella del lievito a quella dell'uomo. Da questo si è visto che un totale di 38 residui dei 105 complessivi sono invarianti e la maggior parte dei residui rimanenti sono  stati sostituiti conservativamente. Al contrario, vi sono otto posizioni in cui è possibile riscontrare sei o più residui diversi e quindi queste posizioni sono posizioni ipervariabili. Infine, mediante l'analisi al computer di questi dati, è possibile costruire una specie di albero delle famiglie, detto albero filogenetico che indica le relazioni ancestrali tra gli organismi che producono quelle proteine.