Când proteinele uscate sunt expuse la aer cu un conținut ridicat de apă, ele se leagă rapid de apă până la o cantitate maximă, care diferă în funcție de proteine; de obicei este de 10 până la 20 la sută din greutatea proteinei. Grupurile hidrofile ale unei proteine sunt, în principal, grupările încărcate pozitiv din lanțurile laterale ale lizinei și argininei și grupările încărcate negativ ale acidului aspartic și glutamic. Hidratarea (adică legarea apei) poate avea loc, de asemenea, la grupele hidroxil (-OH) ale serinei și treoninei sau la grupele amidă (-CONH2) ale asparaginei și glutaminei.
Legăturarea moleculelor de apă fie la grupele încărcate, fie la cele polare (parțial încărcate) se explică prin structura dipolară a moleculei de apă; adică cei doi atomi de hidrogen încărcați pozitiv formează un unghi de aproximativ 105°, cu atomul de oxigen încărcat negativ în vârf. Centrul sarcinilor pozitive este situat între cei doi atomi de hidrogen; centrul sarcinii negative a atomului de oxigen se află în vârful unghiului. Polul negativ al moleculei de apă dipolară se leagă de grupurile încărcate pozitiv; polul pozitiv se leagă de cele încărcate negativ. Polul negativ al moleculei de apă se leagă, de asemenea, de grupele hidroxil și amino ale proteinei.
Apa de hidratare este esențială pentru structura cristalelor proteice; atunci când acestea sunt complet deshidratate, structura cristalină se dezintegrează. La unele proteine, acest proces este însoțit de denaturare și pierderea funcției biologice.
În soluțiile apoase, proteinele se leagă foarte ferm de unele dintre moleculele de apă; altele sunt fie foarte slab legate, fie formează insule de molecule de apă între buclele lanțurilor peptidice pliate. Deoarece se crede că moleculele de apă dintr-o astfel de insulă sunt orientate ca în gheață, care este apă cristalină, insulele de apă din proteine se numesc iceberguri. Moleculele de apă pot, de asemenea, să formeze punți între grupele carbonil și imino ale lanțurilor peptidice adiacente, rezultând structuri similare cu cele ale foii plisate, dar cu o moleculă de apă în poziția legăturilor de hidrogen din acea configurație. Gradul de hidratare a moleculelor de proteine în soluții apoase este important, deoarece unele dintre metodele utilizate pentru a determina greutatea moleculară a proteinelor dau greutatea moleculară a proteinei hidratate. Cantitatea de apă legată de un gram de o proteină globulară în soluție variază între 0,2 și 0,5 grame. Cantități mult mai mari de apă sunt imobilizate mecanic între lanțurile peptidice alungite ale proteinelor fibroase; de exemplu, un gram de gelatină poate imobiliza la temperatura camerei 25 până la 30 de grame de apă.
Hidratarea proteinelor este necesară pentru solubilitatea lor în apă. Dacă apa de hidratare a unei proteine dizolvate în apă este redusă prin adăugarea unei săruri, cum ar fi sulfatul de amoniu, proteina nu mai este solubilă și este sărată sau precipitată. Procesul de sărare este reversibil, deoarece proteina nu este denaturată (adică transformată ireversibil într-un material insolubil) prin adăugarea de săruri precum clorura de sodiu, sulfatul de sodiu sau sulfatul de amoniu. Unele globuline, numite euglobuline, sunt insolubile în apă în absența sărurilor; insolubilitatea lor este atribuită interacțiunii reciproce a grupărilor polare de pe suprafața moleculelor adiacente, proces care duce la formarea de agregate mari de molecule. Adăugarea unor cantități mici de sare face ca euglobulinele să devină solubile. Acest proces, numit salinizare, rezultă din combinația dintre anionii (ioni cu sarcină negativă) și cationii (ioni cu sarcină pozitivă) din sare și lanțurile laterale încărcate pozitiv și negativ ale euglobulinelor. Această combinație previne agregarea moleculelor de euglobulină, împiedicând formarea de punți de sare între ele. Adăugarea de mai mult sulfat de sodiu sau de amoniu face ca euglobulinele să se sărezească din nou și să precipite.
.