Quando le proteine secche sono esposte all’aria ad alto contenuto d’acqua, legano rapidamente l’acqua fino ad una quantità massima, che differisce per le diverse proteine; di solito è dal 10 al 20% del peso della proteina. I gruppi idrofili di una proteina sono principalmente i gruppi caricati positivamente nelle catene laterali di lisina e arginina e i gruppi caricati negativamente dell’acido aspartico e glutammico. L’idratazione (cioè il legame dell’acqua) può avvenire anche ai gruppi idrossilici (-OH) della serina e della treonina o ai gruppi ammidici (-CONH2) dell’asparagina e della glutammina.
Il legame delle molecole d’acqua ai gruppi carichi o polari (parzialmente carichi) è spiegato dalla struttura dipolare della molecola d’acqua; cioè, i due atomi di idrogeno carichi positivamente formano un angolo di circa 105°, con l’atomo di ossigeno carico negativamente al vertice. Il centro delle cariche positive si trova tra i due atomi di idrogeno; il centro della carica negativa dell’atomo di ossigeno è all’apice dell’angolo. Il polo negativo della molecola d’acqua dipolare si lega a gruppi con carica positiva; il polo positivo si lega a gruppi con carica negativa. Il polo negativo della molecola d’acqua si lega anche ai gruppi idrossile e amminico della proteina.
L’acqua di idratazione è essenziale per la struttura dei cristalli proteici; quando sono completamente disidratati, la struttura cristallina si disintegra. In alcune proteine questo processo è accompagnato dalla denaturazione e dalla perdita della funzione biologica.
Nelle soluzioni acquose, le proteine legano alcune molecole d’acqua molto saldamente; altre sono legate molto debolmente o formano isole di molecole d’acqua tra i loop delle catene peptidiche piegate. Poiché si pensa che le molecole d’acqua in tali isole siano orientate come nel ghiaccio, che è acqua cristallina, le isole d’acqua nelle proteine sono chiamate iceberg. Le molecole d’acqua possono anche formare ponti tra i gruppi carbonilici e imino delle catene peptidiche adiacenti, dando luogo a strutture simili a quelle del foglio plissettato ma con una molecola d’acqua nella posizione dei legami idrogeno di quella configurazione. Il grado di idratazione delle molecole proteiche in soluzioni acquose è importante, perché alcuni dei metodi usati per determinare il peso molecolare delle proteine forniscono il peso molecolare della proteina idratata. La quantità di acqua legata a un grammo di una proteina globulare in soluzione varia da 0,2 a 0,5 grammi. Quantità molto più grandi di acqua sono immobilizzate meccanicamente tra le catene peptidiche allungate delle proteine fibrose; per esempio, un grammo di gelatina può immobilizzare a temperatura ambiente da 25 a 30 grammi di acqua.
L’idratazione delle proteine è necessaria per la loro solubilità in acqua. Se l’acqua di idratazione di una proteina disciolta in acqua viene ridotta dall’aggiunta di un sale come il solfato di ammonio, la proteina non è più solubile e viene salata o precipitata. Il processo di salatura è reversibile perché la proteina non viene denaturata (cioè convertita irreversibilmente in un materiale insolubile) dall’aggiunta di tali sali come cloruro di sodio, solfato di sodio o solfato di ammonio. Alcune globuline, chiamate euglobuline, sono insolubili in acqua in assenza di sali; la loro insolubilità è attribuita all’interazione reciproca dei gruppi polari sulla superficie delle molecole adiacenti, un processo che porta alla formazione di grandi aggregati di molecole. L’aggiunta di piccole quantità di sale fa sì che le euglobuline diventino solubili. Questo processo, chiamato salatura, risulta da una combinazione tra gli anioni (ioni caricati negativamente) e i cationi (ioni caricati positivamente) del sale e le catene laterali caricate positivamente e negativamente delle euglobuline. La combinazione previene l’aggregazione delle molecole di euglobulina impedendo la formazione di ponti salini tra di esse. L’aggiunta di altro solfato di sodio o di ammonio fa sì che le euglobuline si salino di nuovo e precipitino.