L’objectif de cette thèse porte sur l’étude de la compartimentalisation cellulaire et de la prise en charge de l’uranium (U) par les protéines cytosoliques des cellules branchiales du poisson zèbre (Danio rerio, espèce modèle en toxicologie aquatique) après exposition contrastées (chronique vs. aiguë, 20 et 250 µg.L-1) par voie directe. Cette étude a nécessité le développement, l’utilisation et le couplage d’outils analytiques de pointe (SEC, IEF hors-gel, RP-UHPLC pour la séparation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS pour la détection) avec comme défis majeurs la conservation des interactions non-covalentes U biomolécule et une sensibilité maximale pour travailler à des niveaux d’exposition proches de ceux rencontrés dans l’environnement. Après extraction, 24 à 32% de la charge branchiale totale en U est contenue dans le cytosol dans lequel la distribution de l’U sur les biomolécules (en fonction de leur PM mais aussi de leur pI) diffère selon le niveau d’exposition. Enfin, une cartographie des biomolécules cibles de l’U a permis (i) de mettre en évidence une affinité particulière de l’U pour les protéines à caractère acide et/ou contenant du phosphore et (ii) d’identifier 24 protéines candidates pour lier U. / The objective of this thesis is to study the cellular compartmentalization and the chelation of uranium (U) by cytosolic proteins of gill cells of the zebrafish (Danio rerio, model species in aquatic toxicology) under different direct exposure conditions (chronic vs. acute, 20 and 250 µg.L 1). This study required the development of hyphenated techniques (SEC, IEF off-gel, RP-UHPLC for the separation, ICP-SFMS, ESI-FTMS/MS for the detection) with the main challenges of maintaining the non-covalent U-biomolecule interactions and enhancing sensitivity for the analysis of environmentally relevant samples. After extraction, 24% to 32% of the total U detected in the gills were present in the cytosolic fraction, in which the U distribution on the biomolecules (as a function of their MW and pI) varied depending on the exposure level. Finally, U target biomolecules mapping allowed us (i) to highlight a particular affinity of U for acidic and/or P-containing proteins and (ii) to identify 24 protein candidates for U binding.