Cuando las proteínas secas se exponen al aire con un alto contenido de agua, fijan rápidamente el agua hasta una cantidad máxima, que difiere para las diferentes proteínas; normalmente es del 10 al 20 por ciento del peso de la proteína. Los grupos hidrófilos de una proteína son principalmente los grupos con carga positiva de las cadenas laterales de lisina y arginina y los grupos con carga negativa del ácido aspártico y glutámico. La hidratación (es decir, la unión del agua) también puede producirse en los grupos hidroxilo (-OH) de la serina y la treonina o en los grupos amida (-CONH2) de la asparagina y la glutamina.
La unión de las moléculas de agua a grupos cargados o polares (parcialmente cargados) se explica por la estructura dipolar de la molécula de agua; es decir, los dos átomos de hidrógeno cargados positivamente forman un ángulo de unos 105°, con el átomo de oxígeno cargado negativamente en el vértice. El centro de las cargas positivas se encuentra entre los dos átomos de hidrógeno; el centro de la carga negativa del átomo de oxígeno está en el vértice del ángulo. El polo negativo de la molécula de agua dipolar se une a los grupos cargados positivamente; el polo positivo se une a los cargados negativamente. El polo negativo de la molécula de agua también se une a los grupos hidroxilo y amino de la proteína.
El agua de hidratación es esencial para la estructura de los cristales de las proteínas; cuando se deshidratan completamente, la estructura cristalina se desintegra. En algunas proteínas este proceso va acompañado de desnaturalización y pérdida de la función biológica.
En soluciones acuosas, las proteínas unen algunas de las moléculas de agua con mucha firmeza; otras están muy poco unidas o forman islas de moléculas de agua entre bucles de cadenas peptídicas plegadas. Como se cree que las moléculas de agua en una isla de este tipo están orientadas como en el hielo, que es agua cristalina, las islas de agua en las proteínas se llaman icebergs. Las moléculas de agua también pueden formar puentes entre los grupos carbonilo e imino de las cadenas peptídicas adyacentes, lo que da lugar a estructuras similares a las de la hoja plegada pero con una molécula de agua en la posición de los enlaces de hidrógeno de esa configuración. El grado de hidratación de las moléculas de proteínas en soluciones acuosas es importante, porque algunos de los métodos utilizados para determinar el peso molecular de las proteínas arrojan el peso molecular de la proteína hidratada. La cantidad de agua ligada a un gramo de una proteína globular en solución varía de 0,2 a 0,5 gramos. Cantidades mucho mayores de agua se inmovilizan mecánicamente entre las cadenas peptídicas alargadas de las proteínas fibrosas; por ejemplo, un gramo de gelatina puede inmovilizar a temperatura ambiente de 25 a 30 gramos de agua.
La hidratación de las proteínas es necesaria para su solubilidad en agua. Si el agua de hidratación de una proteína disuelta en agua se reduce mediante la adición de una sal como el sulfato de amonio, la proteína deja de ser soluble y se salifica o precipita. El proceso de salado es reversible porque la proteína no se desnaturaliza (es decir, se convierte irreversiblemente en un material insoluble) por la adición de sales como el cloruro de sodio, el sulfato de sodio o el sulfato de amonio. Algunas globulinas, denominadas euglobulinas, son insolubles en agua en ausencia de sales; su insolubilidad se atribuye a la interacción mutua de grupos polares en la superficie de moléculas adyacentes, un proceso que da lugar a la formación de grandes agregados de moléculas. La adición de pequeñas cantidades de sal hace que las euglobulinas se vuelvan solubles. Este proceso, denominado salinización, es el resultado de una combinación entre los aniones (iones con carga negativa) y los cationes (iones con carga positiva) de la sal y las cadenas laterales con carga positiva y negativa de las euglobulinas. Esta combinación evita la agregación de las moléculas de euglobulina al impedir la formación de puentes salinos entre ellas. La adición de más sulfato de sodio o de amonio hace que las euglobulinas se salen de nuevo y precipiten.