Lorsque des protéines sèches sont exposées à un air à forte teneur en eau, elles fixent rapidement l’eau jusqu’à une quantité maximale, qui diffère selon les protéines ; généralement, elle représente 10 à 20 % du poids de la protéine. Les groupes hydrophiles d’une protéine sont principalement les groupes chargés positivement des chaînes latérales de la lysine et de l’arginine et les groupes chargés négativement des acides aspartique et glutamique. L’hydratation (c’est-à-dire la liaison de l’eau) peut également se produire au niveau des groupes hydroxyle (-OH) de la sérine et de la thréonine ou des groupes amide (-CONH2) de l’asparagine et de la glutamine.
La liaison des molécules d’eau aux groupes chargés ou polaires (partiellement chargés) s’explique par la structure dipolaire de la molécule d’eau, c’est-à-dire que les deux atomes d’hydrogène chargés positivement forment un angle d’environ 105°, l’atome d’oxygène chargé négativement se trouvant au sommet. Le centre des charges positives est situé entre les deux atomes d’hydrogène ; le centre de la charge négative de l’atome d’oxygène se trouve au sommet de l’angle. Le pôle négatif de la molécule d’eau dipolaire se lie aux groupes chargés positivement ; le pôle positif se lie aux groupes chargés négativement. Le pôle négatif de la molécule d’eau se lie également aux groupes hydroxyle et amino de la protéine.
L’eau d’hydratation est essentielle à la structure des cristaux de protéines ; lorsqu’ils sont complètement déshydratés, la structure cristalline se désintègre. Chez certaines protéines, ce processus s’accompagne d’une dénaturation et d’une perte de la fonction biologique.
Dans les solutions aqueuses, les protéines fixent très fermement certaines des molécules d’eau ; d’autres sont soit très peu liées, soit forment des îlots de molécules d’eau entre les boucles des chaînes peptidiques repliées. Comme on pense que les molécules d’eau dans un tel îlot sont orientées comme dans la glace, qui est de l’eau cristalline, les îlots d’eau dans les protéines sont appelés icebergs. Les molécules d’eau peuvent également former des ponts entre les groupes carbonyle et imino des chaînes peptidiques adjacentes, ce qui donne des structures similaires à celles de la feuille plissée, mais avec une molécule d’eau en position des liaisons hydrogène de cette configuration. Le degré d’hydratation des molécules de protéines dans les solutions aqueuses est important, car certaines des méthodes utilisées pour déterminer le poids moléculaire des protéines donnent le poids moléculaire de la protéine hydratée. La quantité d’eau liée à un gramme d’une protéine globulaire en solution varie de 0,2 à 0,5 gramme. Des quantités d’eau beaucoup plus importantes sont immobilisées mécaniquement entre les chaînes peptidiques allongées des protéines fibreuses ; par exemple, un gramme de gélatine peut immobiliser à température ambiante 25 à 30 grammes d’eau.
L’hydratation des protéines est nécessaire pour leur solubilité dans l’eau. Si l’eau d’hydratation d’une protéine dissoute dans l’eau est réduite par l’ajout d’un sel tel que le sulfate d’ammonium, la protéine n’est plus soluble et est salée, ou précipitée. Le processus de relargage est réversible car la protéine n’est pas dénaturée (c’est-à-dire irréversiblement convertie en une matière insoluble) par l’addition de sels tels que le chlorure de sodium, le sulfate de sodium ou le sulfate d’ammonium. Certaines globulines, appelées euglobulines, sont insolubles dans l’eau en l’absence de sels ; leur insolubilité est attribuée à l’interaction mutuelle des groupes polaires à la surface des molécules adjacentes, un processus qui entraîne la formation de grands agrégats de molécules. L’ajout de petites quantités de sel rend les euglobulines solubles. Ce processus, appelé salage, résulte d’une combinaison entre les anions (ions chargés négativement) et les cations (ions chargés positivement) du sel et les chaînes latérales des euglobulines chargées positivement et négativement. Cette combinaison empêche l’agrégation des molécules d’euglobuline en empêchant la formation de ponts salins entre elles. L’ajout d’une quantité supplémentaire de sulfate de sodium ou d’ammonium entraîne une nouvelle salification des euglobulines et leur précipitation.