Почему денатурированный белок нерастворим в воде?

Вопрос этот, я бы сказал, относится скорее к физике. Правда, придется расписать, чтобы была понятна причина физической природы вопроса.

Коротко о гидрофильности (растворимость)
Гидрофильность - интенсивность взаимодействия молекул с водой. Интенсивность гидрофильности, а также гидролитической диссоциации, определяется интенсивностью межмолекулярного взаимодействия, что выражается в его потенциальной энергии. Самое интенсивное межмолекулярное взаимодействие - ориентационной природы. Межмолекулярное взаимодействие ориентационной природы определяется величинами дипольных моментов молекул. Величины дипольных моментов определяются поляризацией связей в молекулах. Поляризация связей в молекулах определяется разностью электроотрицательностей атомов. Разность электроотрицательностей атомов определяется разностью радиусов атомов. Разность радиусов определяется расстоянием от ядра до внешней орбитали, что задается волновой функцией.
С этим - объяснение окончено.

Коротко о денатурации
Денатурация - процесс разрушения определенной структуры белка. Структура белка может быть первичной (порядок чередования аминокислот в белковых молекулах за счет пептидных связей) , вторичной (сворачивание белка в спираль за счет водородных связей между группами CO и NH), третичной (сворачивание в глобулы за счет солевых, гидрофобных и сульфатных связей) и четвертичной (сворачивание третичных структур за счет ковалентных и водородных связей) .

Водородные связи белков
Что обусловливает гидрофильность белков при вторичной-четвертичной структурах? Водородные связи, а также наличие определенных атомов металлов. На первом остановлюсь подробнее, так как оно напрямую касается Вашего вопроса.
Водородные связи характеризуются поляризацией соединения C-O из-за разных электроотрицательностей атомов C и O: вследствие меньшего "радиуса" внешней орбитали О кулоновское взаимодействие электронов с ядром в нем более интенсивно, чем в атоме H. Вследствие этого смещается электронная плотность в сторону O. Появляется асимметрия электронной плотности и, как следствие, дипольная структура связи.

Белки в воде
При помещении белка в воду наблюдается гидратация его оболочки (что, собственно, есть гидрофильностью) , что приводит к явлению растворимости. Это обусловлено следующим.
Молекулы воды полярны из-за тех же водородных связей. Следовательно, они, как и водородные связи белков, обладают дипольным моментом. Образуется межмолекулярное взаимодействие ориентационной природы, при котором между атомом H из водородной связи белка и атомом O из водородной связи воды образуется еще одна водородная связь. Это приводит к растворимости.

Влияние денатурации белка на его гидрофильность и растворимость
При денатурации разрушаются структуры белка. Следовательно, разрушаются водородные связи. Следовательно, исчезает поляризация межатомных связей белка. Следовательно, дипольные моменты межатомных связей белка стремятся к нулю. Следовательно, потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия молекул белка и воды стремится к нулю. Следовательно, белок теряет свойство гидрофильности и растворимости.

Это то, что Вас интересовало?

__________________________
Литература, в которой можно прочитать подробнее - собственно, даже не знаю. Но если что-то найду, пришлю ссылку на это в личных сообщениях.