A、氨基酸的种类不同，数目成百上千是蛋白质多样性的直接原因，A错误；B、氨基酸的排列顺序千变万化是蛋白质多样性的直接原因，B错误；C、多肽链的空间结构千差万别是蛋白质多样性的直接原因，C错误；D、蛋白质是由DNA控制合成的，因此根本原因是DNA分子的多样性，即基因脱氧核苷酸序列的多样性，D正确．故选：D．
